Modélisation électro-optique et optimisation des cellules solaires

REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE
MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE
SCIENTIFIQUE
UNIVERSITE ABOU BAKR BELKAID– TLEMCEN
FACULTE DES SCIENCES
DEPARTEMENT DE PYSIQUE
UNITE DE RECHERCHE MATERIAUX
ET ÉNERGIES RENOUVELABLES(URMER)
THESE
Pour obtenir le grade de
DOCTEUR EN PHYSIQUE
Spécialité: Physique Energétique et Matériaux
Par
Mr MERAD BOUDIA Mustapha Réda
Sur le thème
Modélisation électro-optique et optimisation des
cellules solaires organiques
Présenté le 13/04/2016 Devant le jury composé de MM.
-
Président
Pr. Boumediene BENYOUCEF
Université de Tlemcen
-
Encadreur
Pr. Ali CHEKNANE
Université de Laghouat
-
Examinateur
Pr. Tayeb BENOUAZ
Université de Tlemcen
-
Examinateur
Pr. Khadidja RAHMOUNE
Université de Tlemcen
-
Examinateur
Dr Abderrahmane HAMIDAT
CDER ALGER
-
Examinateur
Dr. Ali MALEK
CDER ALGER
Année universitaire : 2015-2016
Cette étude a été menée à l’unité de recherche sur les
matériaux et les énergies renouvelables
(URMER) de
l’université Abou Bekr Blkaid de Tlemcen et guidé sous la
direction du Pr.Ali CHEKNANE de l’université Amar
Telidji de Laghouat que j’exprime à lui toutes mes
reconnaissances .
J’exprime mon remerciement au Pr B.ENYOUCEF qui
m'a fait aussi l'honneur de présider le jury de cette thèse.
Je tiens à exprimer mes sincères remerciements aux
membres du jury de cette thèse:
Pr K.RAHMOUN ,Pr.T.BENOUAZ, Dr.A.HAMIDAT et
Dr.A.MALEK qui m’ont fait le grand plaisir d’examiner
avec soin mon manuscrit.
Je remercie tous les Chercheurs de (UREMR)
Je remercie tous les collègues surtout Abdelmadjid et je
leur souhaite bonne chance dans leurs projets et leurs
avenir.
Je tiens à remercier sincèrement tous les membres d’Unité
de Recherche de Matériaux et des Energies Renouvelables
(URMER). A tous les membres de ma famille et tous ceux
qui m’ont aidé de près ou de loin.
Introduction générale
CHAPITRE I
Généralités sur les cellules photovoltaïques
Introduction ……………………………………………………………………………….....1
I. 1 Notions préliminaires sur le rayonnement solaire ......................................................…...1
I. 2 Principe de fonctionnement ………………………………...………….…….…........…..3
I. 3Types de cellules………...………………………………………….………….............…4
I. 4 Modèle équivalent d’une cellule photovoltaïque……………………….…………..........5
I. 5 Paramètres des cellules photovoltaïques………………………………….………...........8
I. 6 Objectifs de la thèse ……………………...……………………………………….........10
CHAPITRE II
Les cellules photovoltaïques organiques
Introduction ………………………………………………………………………………...14
Historique des cellules photovoltaïques organiques………………………………………...14
II.1 Les semi-conducteurs organiques………..…………………….…………..…………...15
II.1.1- Origines de la conductivité.......................................................................................15
II.1.2- Ressemblances avec les semi-conducteurs inorganiques........................................16
II. 2 Fonctionnement des cellules photovoltaïques organiques..............................................16
II.2.1- Génération des porteurs dans les matériaux organiques...................................16
II.2.2- Processus de génération du photocourant........................................................17
II. 3 Estimation du rendement énergétique maximal des cellules solaires organique...........19
II. 4 Conduction par sauts ……….....................................……………….…………............20
II. 5 Différentes structures pour les cellules solaires organiques...........................................21
II.5.1 Structure monocouche (Schottky)......................................................................21
II.5.2 Structures à hétérojonction bicouches................................................................21
II.5.3 Structures hétérojonctions en volume ...............................................................23
II.5.4 Structures Tandem.............................................................................................27
II.5.5- Cellules de type Graetzel..................................................................................28
II. 6 Comparaison avec les cellules solaires classiques et à base de silicium........................29
References..............................................................................................................................31
CHAPITRE III
Modélisation du transport de charges dans les matériaux désordonnés
Introduction..............................................................................................................................34
III.1 Modélisation optique…………………………………………………………………...34
III.1.1 Rappel théorique..................................................................................................34
III.1.2 La méthode de transfert de matrice (TMM Transfer Matrix Method)................36
III. 2 Description mathématique du transport par Hopping………………….……………....42
III. 2.1 Équation maitresse..............................................................................................42
III. 2.2 Percolation..........................................................................................................43
III. 2.3 Modèle de L.Li.G.Meller and H.Kosina............................................................44
Conclusion ……………………..…………………………………………………..........…..48
References................................................................................................................................49
CHAPITRE IV
Résultats de la simulation numérique des cellules photovoltaïque organiques
Introduction ….………………………………………………………………………….….51
IV.1 Cellule solaires organiques à base de matériau actif MDMO-PPV: PCBM…………..51
IV.1.1. Description élaboration et caractérisation...........................................................51
IV.1.1. Etude de la réflectivité.........................................................................................53
IV.1.2. Effet de la couche PEDOT:PSS et de l’épaisseur de la couche active sur le
champ électrique.....................................................................................................................55
IV.1.3 Effet de l’épaisseur de la couche active sur le champ électrique sans couche
PEDOT:PSS............................................................................................................................57
IV.2 Cellule solaires organiques à base de matériau actif MEH-PPV: PCBM……………..61
IV.2.1 Modèle expérimentale utilisé..............................................................................61
IV.2.2 Influence des propriétés optiques sur les paramètres électriques........................62
IV.2.3 Contribution à l’électrode polymère en PEDOT:PSS..........................................66
IV.3 Cellule solaires organiques à base de matériau actif P3HT:PCBM…………....……...68
IV.3.1 Modèle expérimentale utilisé..............................................................................68
IV.3.2 Résultats de simulation.........................................................................................69
Conclusion …………………………………………………………….……………...….….71
References................................................................................................................................73
CHAPITRE V
Les cellules photovoltaïques tandem
Introduction ……………………………………………………………………………...…76
V. 1 Rappels théoriques……………………………………………………………..……....76
V.1-a Modèle à une seule diode ………………………………………..…………………..77
V.1-b Modèle à deux diodes .……………………………………………………………….78
V. 2 Modèle expérimentale utilisé ………………………….......…...……………………..79
V. 3Résultats et discussion …………………………………….………………………..….80
Conclusion ……………………………...…………………………………………….…….98
References..............................................................................................................................99
Conclusion générale…..……..………………………………………………………….…101
Liste des symboles utilisés
α
Coefficient d'absorption
d
Épaisseur du film
EC
Bas de la bande de conduction
Eg
Largeur de la bande interdite
EF
Niveau de Fermi
EV
Haut de la bande de valence
W
Travail de sortie
Φ(λ) Éclairement
η
Rendement de conversion photovoltaïque
EQE Rendement quantique externe
JCC
Densité de courant de saturation en tension inverse
JS
Densité de courant de court-circuit
LDext
Longueur de diffusion des excitons
PMAX Puissance maximale délivrée par la cellule
RS
Résistance série
RSH
Résistance shunt
VCO Tension de circuit ouvert
Vbi
Potentiel de jonction
FF
facteur de forme de la cellule solaire
ηTC
l'efficacité de transfert de charges
ηCC
l’efficacité de collecte des charges libres aux électrodes
ηA
l'efficacité d’absorption du matériau
h
la constante de Plank
c
la vitesse de la lumière
λ
la longueur d’onde
KB
constante de Boltzman
Listes des figures
Chapitre I
Figure I-1 Représentation graphique des spectres AM0 et AM1.5 d’après………….2
Figure I-2 Principe de fonctionnement d’une cellule photovoltaïque………………...3
Figure I-3 Circuit électrique équivalent d’une cellule solaire idéale s-éclairement...6
Figure I-4 Circuit électrique équivalent d’une cellule solaire PV réelle sous
éclairement (modèle à une seule diode)…… …………………………………………….…6
Figure I-5 Schéma équivalent d’une cellule PV (modèle à deux diodes) ……… …..7
Figure I-6 Caractéristique densité de courant - tension d’une cellule PV………….... 8
Chapitre II
Figure II-1 Formes d'un système conjugué……………………………………….……...15
Figure II-2 Les étapes de génération du photocourant………………….….…….…….18
Figure II-3 Processus rentrant en compétition………………………………………….18
Figure II-4 Schéma du processus PV dans une jonction D/A……………..……….….19
Figure II-5 Polaron dans un polythiophène………………………….………..………...21
Figure II-6 Photogénération de charges dans une structure MIM………………….…21
Figure II-7 Polythiophène (PT)…………… ……………………………………….…….22
Figure II-8 Schématisation d’une structure interpénétré……………………………...23
Figure II-9 Schématisation du procédé physique dans un composite d’un polymère
PoD et de C60……………………………………………………………………...………..26
Figure II-10 Structure d’une cellule solaire Tandem………………………………….27
Figure II-11 Schéma de principe et énergétique d'une cellule solaire à colorant…28
Chapitre III
Figure III-1 Représentation de l'onde électromagnétique……………………………29
Figure III-2 Polarisation de E en fonction de Φ………………………………………36
Figure III-3
Structure multicouche générale ayant m couches entre un milieu
transparent semi-infinie ambiant et un substrat semi-infinie…………………………37
Figure III-4 Diagramme de séparation de charge à l’interface entre le polymère
(Donneur; D) et le fullerène (Accepteur; A). …………………………………………..40
Figure III-5 Chemin de percolation dans un semi-conducteur organique………..43
Figure III-6 Le courant de percolation en fonction de l’inverse de la température
avec E=100 V/cm…………………………………………………………………………..47
Figure III-7 Variation du courant de percolation en fonction du champ
électrique……………………………………………………………………………………47
Chapitre IV
Figure IV-1 Cellule solaire d'hétérojonction en volume donneur-accepteur, aussi
avec la structure chimique des différents matériaux organiques employés…………51
Figure IV-2 Réflectivité du dispositif en fonction de l’angle d’incidence…………..54
Figure IV-3 Réflectivité du dispositif en fonction de l'épaisseur de couche active. En
trait plein (impédance globale du système).Triangles (modèle édité par H. Hoppe et
al.[4]) ………………………………………………………………………………………..54
Figure IV-4 (a)Maximum du champ électrique E2 dans la couche active(140 nm).56
Figure IV-4 (b)Maximum du champ électrique E2 dans la couche active(190 nm).56
Figure IV-4 (c)Maximum du champ électrique E2 dans la couche active(210 nm).57
Figure IV-4 (d)Maximum du champ électrique E2 dans la couche active(420 nm).57
Figure IV-5 (a)Maximum du champ électrique E2 dans la couche active(210 nm).58
Figure IV-5 (b)Maximum du champ électrique E2 dans la couche active(220 nm).58
Figure IV-5 (c)Maximum du champ électrique E2 dans la couche active(310 nm).59
Figure IV-5 (d)Maximum du champ électrique E2 dans la couche active(370 nm).59
Figure IV-6 Division du champ électrique sur le facteur de forme pour les huit
prototypes de cellules solaires avec et sans couche PEDOT:PSS……………………60
Figure IV-7 Partie expérimentale de la cellule solaire hétérojonction en volume, avec
la structure moléculaire pour les deux matériaux formant l'hétérojonction dans la
couche active[8] ……………………………………………………………………………62
Figure IV-8 Point équivalent du champ électrique entre le modèle de Filippov et
Inganas dans la couche active…………………………………………………………….63
Figure IV-9 Le champ électrique et l’épaisseur de la couche active en fonction de la
longueur d’onde pour le spectre 400-800 nm……………………………………………64
Figure IV-10 Efficacité quantique de la cellule solaire étudiée après optimisation en
fonction du champ électrique……………………………………………………………...64
Figure IV-11 Taux de génération en fonction de l’efficacité quantique…………….65
Figure IV-12 Relation entre le taux de génération et le champ électrique…………65
Figure IV-13 Le taux de recombinaison en fonction du champ électrique…………66
Figure IV-14 Le carré du champ électrique dans la couche active de la cellule
solaire composée de Glass/ITO/PEDOT:PSS/MEH-PPV:PCBM/métal(Ca, Al, Ag)
…………………………………………………………………………………………………67
Figure IV-15 La cellule solaire composée de Glass/ITO/PEDOT:PSS/MEHPPV:PCBM/Ag : (A) avec, (B) sans couche protectrice en PEDOT:PSS sur l'électrode
d'ITO, (C) avec la nouvelle anode. ………………………………………………………68
Figure IV-16 Schéma de la cellule solaire organique étudiée. ………………………69
Figure IV-17 Champ électrique dans la couche active en P3HT/PCBM d'une cellule
solaire organique avec différents matériaux d'électrode en Ag, Al et Ca. …………70
Figure IV-18 Champ électrique dans la couche active en P3HT/PCBM d'une cellule
solaire organique avec et sans couches protectrices Buffer et électrode métallique en
argent. ………………………………………………………………………………………70
Figure IV-19 Taux de dissociation dans la présence d’un champ électrique donné par
la théorie d’Onsager. ………………………………………………………………………71
Chapitre V
Figure V-1 Croquis de la cellule solaire tandem pliée réalisée par Tvingstedt et al
[6]……………………………… ……………………………………………………………77
Figure V-2 Schéma de la structure tandem organique utilisée dans toutes les
simulations. Les épaisseurs de la couche d'oxyde de titane sont fixées à 8nm.
P3HT:PC71BM (de 132nm) /PCPDTBT:PC71BM(126nm) et
P3HT:PC71BM (de 176nm) /PCPDTBT:PC71BM(259nm)
……………………… 79
Figure V-3(a) Comparaison entre les deux ajustements de la caractéristique I-V sous
illumination en utilisant d'abord le modèle d'une seule-diode, ……………………… 80
Figure V-3(b) et puis le modèle de deux-diodes……………………………………… 81
Figure V-4 (a1), Courbes de FF, simulés en fonction de R S avec les modèles d’une
seule et deux diodes à la température 300k et Isc est constant ……………………… 82
Figure V-4 (b1), Courbes de VOC, simulés en fonction de RS avec les modèles d’une
seule et deux diodes à la température 300k et Isc est constant ……………………… 83
Figure V-4 (c1), Courbes de l’efficacité simulés en fonction de R S avec les modèles
d’une seule et deux diodes à la température 300k et Isc est constant ………………… 83
Figure V-4 (a2), Courbes de FF, simulés en fonction de R S avec les modèles d’une
seule et deux diodes à la température 300k et Isc est constant ……………………… 84
Figure V-4 (b2), Courbes de l’efficacité simulés en fonction de R S avec les modèles
d’une seule et deux diodes à la température 300k et Isc est constant ……………… 85
Figure V-5 (a1), Courbes de FF, simulés en fonction de la température avec les
modèles d’une seule et deux diodes ……………………………………….....………… 86
Figure V-5 (b1), Courbes de VOC, simulés en fonction de la température avec les
modèles d’une seule et deux diodes ……………………………………………………… 86
Figure V-5 (c1), Courbes de Isc simulés en fonction de la température avec les
modèles d’une seule et deux diodes ……………………………………………………… 87
Figure V-5 (d1), Courbes de l’efficacité simulés en fonction de la température avec
les modèles d’une seule et deux diodes ………………………………………………… 87
Figure V-5 (a2), Courbes de FF, simulés en fonction de la température avec les
modèles d’une seule et deux diodes ……………………………………………………… 88
Figure V-5 (b2), Courbes de VOC, simulés en fonction de la température avec les
modèles d’une seule et deux diodes ……………………………………………………… 89
Figure V-5 (c2), Courbes de Isc simulés en fonction de la température avec les
modèles d’une seule et deux diodes ……………………………………………………… 89
Figure V-5 (d2), Courbes de l’efficacité simulés en fonction de la température avec
les modèles d’une seule et deux diodes ………………………………………………… 90
Figure V-6 (a1), Courbes de FF, simulés en fonction de Eg avec les modèles d’une
seule et deux diodes à la température 300k et Isc constant …………………………… 91
Figure V-6 (b1), Courbes de VOC, simulés en fonction de Eg avec les modèles d’une
seule et deux diodes à la température 300k et Isc constant …………………………… 91
Figure V-6 (c1), Courbes de l’efficacité simulés en fonction de Eg avec les modèles
d’une
seule
et
deux
diodes
à
la
température
300k
et
I sc
constant
………………………………………………………………………………………………… 92
Figure V-6 (a2), Courbes de FF, simulés en fonction de Eg avec les modèles d’une
seule et deux diodes à la température 300k et Isc constant …………………………… 94
Figure V-6 (b2), Courbes de VOC, simulés en fonction de Eg avec les modèles d’une
seule et deux diodes à la température 300k et Isc constant …………………………… 95
Figure V-6 (c2), Courbes de l’efficacité simulés en fonction de Eg avec les modèles
d’une
seule
et
deux
diodes
à
la
température
300k
et
I sc
constant
………………………………………………………………………………………………… 95
Figure V-7, Simulation de la cellule solaire d’efficacité expérimentale η en fonction
de n, n1, et n2 respectivement avec le modèle à une et à deux diodes à R S, ISC ,et la
température comme paramètres constants……………………………………………… 96
Figure V-8 Simulation de la cellule solaire d’efficacité expérimentale η en fonction de
n, n1, et n2 respectivement avec le modèle à une et à deux diodes à R S, ISC ,et la
température comme paramètres constants……………………………………………… 97
Introduction générale
Introduction
L'énergie solaire est l'énergie renouvelable par excellence. Respectueuse de
l'environnement, elle présente de nombreux avantages spécifiques en raison
notamment de l’épuisement prévisible des ressources d’énergies fossiles et de la
montée des problèmes liés à la dégradation de l’environnement.
Le champ de l'optoélectronique a vu des développements importants dans les
cellules photovoltaïques organiques (OPVCs) et les diodes luminescentes (LED)
depuis les années 90. Pendant que les applications mûries provoquaient par la
technologie de LED, le photovoltaïque polymère attire une attention générale. La
recherche des matériaux organiques appropriés aux applications électroniques
remonte au début des années 50. Les cellules photovoltaïques polymères
(ou
plastique) ont été étudiés depuis Kearns et autres dès 1958 et ont rapporté l'effet
photovoltaïque de la phtalocyanine de magnésium (MgPh), qui est un composé
macrocyclique. Depuis lors, la matière a attrapé l'attention des chercheurs et a été due
activement étudié au bas coût, au poids léger, et à l'élasticité des matériaux polymères
entre 2003-2012 par Brabec et Li G respectivement. Les cellules photovoltaïques
organiques ont la forme de cellules solaires polymères qui produisent l'électricité à
partir des polymères flexibles employant la lumière du soleil. En raison de leur plus
large bande d’énergie, les OPVCs ont des efficacités inférieures une fois comparé aux
cellules photovoltaïques inorganiques.
Les semi-conducteurs inorganiques cristallins traditionnels peuvent absorber
un spectre continu de lumière et ont le réseau rigide tridimensionnel qui fournit une
grande mobilité de porteur. Une cellule solaire de silicium avec une bande d’énergie
de 1.1eV peut atteindre une efficacité de conversion de 22% sous la condition AM1.5
d’après Smestad GP, Krebs FC (2008). Tandis que les meilleures cellules solaires
polymères sont faites avec le poly(3) d’hexylthiophene (P3HT), ce dernier matériau a
une bande de 1.9eV (650nm) et a ainsi seulement la possibilité d’absorber 22.4% des
photons disponibles d’après Bundgaard E et Krebs FC (2007) et donne une densité de
courant théorique maximale de 14.3mA/cm2. Couplé au matériau le plus largement
Introduction
répandu comme accepteur, le [6, 6]-phenyl-C61- acid methyl ester(PCBM) butyrique,
l'exécution d'un système de P3HT:PCBM s'approche de son optimum environ de 5%
d’après Ko C-J, Lin Y-K, Cen F-C, Chu C-W (2007), qui est inférieur à un quart des
cellules solaires en silicium.
L'efficacité des OPVCs a grimpé jusqu'à environ de 6%. La compréhension
des mécanismes de perte dans le processus de l'excitation optique pour améliorer la
collection devraient mener aux efficacités de 10% dans un proche avenir. Dans la
théorie, l’efficacité de conversion de puissance est d’environ 15% avec une simple
hétérojonction et l'empilement des cellules multiples peut être une clef pour les plus
hauts rendements et le diagramme qui suit montre une comparaison entre les
différentes générations photovoltaïques existante.
Comparaison des records mondiaux entre la technologie photovoltaïque de filmes minces de
a-Si (étoiles), les cellules solaires à colorant (carrés) et les cellules solaires organiques
(cercles et triangles) de 1985 à l’heure actuel
[source d'image :http://www.orgworld.de ].
Introduction
Le manuscrit est composé de cinq chapitres :
Le premier chapitre est consacré à un état de l’art portant sur les cellules
photovoltaïques, leurs types, les différents paramètres extraits à partir de la
caractéristique courant-tension, ainsi que les modèles utilisés régissant le
fonctionnement des cellules solaires. Enfin, une comparaison sera utile entre les
cellules solaires organiques et les cellules solaires conventionnelles.
Le deuxième chapitre présente une étude des matériaux semi-conducteurs
organiques et les mécanismes de transport de charges dans ce type de matériaux, ainsi
que les différentes structures qui existent pour la réalisation des cellules solaires
organiques.
Dans le troisième chapitre, notre étude sera portée sur des exemples de cellules
solaires organiques à hétérojonctions en volume. Pour ce fait, nous allons faire le
calcul du champ électrique dans un dispositif photovoltaïque en passant par quelques
notions de bases, puis la modélisation du dispositif par une méthode très récente qui
est la méthode de transfert de matrice, la dérivation de différents quantités optiques
(énergie dissipé, taux de génération et de recombinaison , et la probabilité de
dissociation ).
Dans le quatrième chapitre nous présenterons les résultats de simulations des
propriétés électro-optiques des cellules solaires à base de MDMO-PPV:PCBM, MEHPPV:PCBM et P3HT:PCBM avec le modèle qui décrit uniformément le champ
électrique dans les cellules solaires organiques, ce modèle nous a permis de dériver
plusieurs paramètres électro-optiques tel que le taux de génération, le taux de
dissociation des excitons, le taux de recombinaison et l’efficacité quantique..
Introduction
Enfin, le dernier chapitre a pour objectif la détermination des différents
paramètres électriques régissant le fonctionnement d’une cellule solaire tandem
comme la résistance série, la résistance shunt, le photocourant….etc., afin de trouver
le modèle correspondant (modèle à une seule diode ou bien à deux diodes) décrivant
le comportement d’une cellule solaire organique tandem sous éclairement en faisant
référence aux données expérimentales délivrées par Patrik Poland et son groupe de
recherche. Ceci est effectué à travers des simulations faites dans l’environnement
Matlab couplé avec le programme en appliquant les méthodes numériques usuelles
telles que la méthode de Newton-Raphson.
CHAPITRE I
Généralités sur les
cellules photovoltaïques
Chapitre I
Généralités
CHAPITRE I
GENERALITES
Introduction
Ce premier chapitre est un rappel de la filière photovoltaïque d‟où il domine le
principe de fonctionnement d‟une cellule solaire classique, les différents types de cellules
solaires, les circuits qui existent pour modéliser les cellules solaires, ainsi que les principaux
paramètres qui peuvent être extraites pour n‟importe quelle cellule solaire.
I. 1 Notions préliminaires sur le rayonnement solaire
Le développement, l‟optimisation et la caractérisation de cellules photovoltaïques
impliquent une certaine connaissance de la source d‟énergie utilisée : le soleil, .La surface de
celui-ci se comporte comme un corps noir à la température d‟environ 5800 K. Ceci conduit à
un pic d‟émission situé à une longueur d‟onde de 0.5 µm pour une puissance d‟environ
60MW/m2, soit un total de 9,5.1025W. En tenant compte de la surface apparente du soleil et
de la distance entre celui-ci et la terre, cela conduit à un éclairement moyen dans l‟année de
1,36 KW/m2 hors atmosphère
Cette irradiante est pondérée par divers facteurs à la surface de la terre : absorption
par les molécules des différentes couches de l‟atmosphère, conditions climatiques, l‟altitude
du lieu d‟observation et saison. Des gaz comme l‟ozone(O3),pour des longueurs d‟ondes
inférieurs à 0,3 µm ,le dioxyde de carbone(CO2)et la vapeur d‟eau (H2O),pour les infrarouges
au dessus de 2 µm ,absorbent les énergies proches de leur énergie de liaison ,ce qui conduit à
des « trous » dans le spectre solaire visible au sol. Par ailleurs, les poussières et aérosols
présents dans l‟atmosphère conduisent à une absorption répartie quasiment sur toute la
gamme spectrale, ce qui conduit à une baisse globale de la puissance incidente .Afin de
comparer et d‟unifier les performances des cellules photovoltaïques élaborés dans les
différents laboratoires du monde, il a été institué la notion d‟Air Mass (AM). Elle quantifie la
quantité de puissance absorbée par l‟atmosphère en fonction de l‟angle θ du soleil par rapport
au zénith [1] :
1
Chapitre I
Généralités
AM 
1
cos
(I.1)
Si le soleil est au zénith du lieu d‟observation, θ=0°,AM=1 :la notion utilisée est
AM1. AM0 correspond à l‟irradiante hors atmosphère, et est surtout utilisée pour prédire le
comportement des cellules pour applications spatiales .Le spectre standard le plus étudié est
AM1.5G, G signifiant global car il tient compte à la fois des radiations directes et diffuses,
par opposition à AM1.5D qui ne tient compte que des directes. AM1.5G donne une irradiante
de 970W/m2, mais a été arrondi à 1KW/m2.L‟intensité Ip reçue à la surface de la terre peut
être calculée grâce à la formule empirique suivante [1] :

I P  1,353 0,7 AM

0,678
(I.2)
Avec Ip en kW/m2, pour une surface perpendiculaire aux rayons incidents .Les
spectres AM0 et AM1.5 sont représentés sur la figure I-1.
Figure I.1 Représentation graphique des spectres AM0 et AM1.5 d‟après [1].
2
Chapitre I
Généralités
I. 2 Principe de fonctionnement
L’effet photovoltaïque utilisé dans les cellules solaires permet de convertir
directement l‟énergie lumineuse des rayons solaires en électricité par le biais de la production
et du transport dans un matériau semiconducteur de charges électriques positives et négatives
sous l‟effet de la lumière [2]. Ce matériau comporte deux parties, l‟une présentant un excès
d‟électrons et l‟autre un déficit en électrons, dites respectivement dopée de type n et dopée de
type p. Lorsque la première est mise en contact avec la seconde, les électrons en excès dans le
matériau n diffusent dans le matériau p. La zone initialement dopée n devient chargée
positivement, et la zone initialement dopée p chargée négativement. Il se crée donc entre elles
un champ électrique qui tend à repousser les électrons dans la zone n et les trous vers la zone
p. Une jonction (dite p-n) a été formée. En ajoutant des contacts métalliques sur les zones n et
p, une diode est obtenue. Lorsque la jonction est éclairée, les photons d‟énergie égale ou
supérieure à la largeur de la bande interdite communiquent leur énergie aux atomes, chacun
fait passer un électron de la bande de valence dans la bande de conduction et laisse aussi un
trou capable de se mouvoir, engendrant ainsi une paire électron-trou. Si une charge est placée
aux bornes de la cellule, les électrons de la zone n rejoignent les trous de la zone p via la
connexion extérieure, donnant naissance à une différence de potentiel : le courant électrique
circule (figure I-2).
Figure I.2 Principe de fonctionnement d‟une cellule photovoltaïque.
3
Chapitre I
Généralités
I.3 Génération des cellules solaires
On distingue quatre générations de cellules photovoltaïques en fonction des
développements technologiques. [3]
I.3.1 - 1ère génération
Les cellules de première génération sont basées sur une seule jonction p-n et utilisent
généralement le silicium sous forme cristalline comme matériau semi-conducteur. La
méthode de production basée sur les wafers (gaufrettes) de silicium est très énergétique et
donc très chère. Elle nécessite par ailleurs un silicium d‟une grande pureté. On différencie
également les cellules à base de silicium monocristallin et poly-cristallin. Ces dernières ont
un rendement inférieur par rapport aux premières, mais ont un coût de fabrication moins
élevé.
I.3.2- 2éme génération
Les films minces (« thin films ») constituent la seconde génération de technologie
photovoltaïque. Dans cette génération, on distingue le silicium amorphe (a-Si), et le tellurure
de
cadnium
(CdTe).
Dans le cas de films minces, la couche de semi conducteur est directement déposée sur un
substrat (par exemple du verre). La production de ce type de cellules est moins cher que la
première génération puisqu‟elle consomme moins de matériau semi-conducteur et ne
nécessite pas de passer par l‟étape de transformation du silicium en « wafers ». Le problème
des cellules de seconde génération est le rendement moindre de ce type de cellules (6-7% et
14% en labo) et la toxicité de certains éléments (Cadnium) pour leur fabrication. Cependant,
cette seconde génération a beaucoup d‟avantages pour des marchés de niche comme les
applications en modules flexibles, avec de faibles illuminations ou avec des températures
élevées.
Les réductions de coût attendues à moyen terme pour cette technologie sont donc très
prometteuses. D‟ailleurs, les premières lignes de production industrielle viennent d‟être
installées, notamment en Allemagne et en Asie.
I.3.3- 3éme génération
La troisième génération vise à passer la limite maximale de rendement des cellules actuelles,
qui est d‟environ 30%. Plusieurs concepts sont envisagés pour atteindre cet objectif:
4
Chapitre I


Généralités
Superposition de multiples cellules (utilisant des bandes d‟énergie différentes)
Utilisation des photons à basse énergie qui ne sont habituellement pas absorbés par la
cellule

Cellules à électrons chauds produisant plus de pairs électron/trou pour des énergies
supérieures à la bande d‟énergie

Conversion des photons pour ajuster le spectre de la lumière solaire aux caractéristiques
du semi-conducteur .
I.3.4- 4éme génération
Les cellules photovoltaïques organiques constituent la quatrième génération de
cellules solaires, et qui repose sur l‟utilisation des matériaux organiques pour leur fabrication,
le principe de fonctionnement de ces cellules est différent des cellules inorganiques dont il y
a une création d‟exciton au lieu de paire électron-troue, leur rendement est d‟environ 7.1%[4]
à l‟heure actuel .
I.4 Modèle équivalent d’une cellule photovoltaïque
Le tracé du circuit électrique équivalent d‟un système est fréquemment utilisé afin de
décrire son comportement électrique à l‟aide de composants électriques (Source, résistance,
diode). Nous allons décrire ici par cette méthode une cellule PV inorganique ou organique
dans l'obscurité et sous illumination.
Dans l‟obscurité, une cellule solaire suit le comportement d‟une diode classique.
Selon si la tension appliquée est supérieure ou inférieure à une tension seuil, la diode est
respectivement passante ou bloquante. La densité de courant J d dans la diode suit une
équation de type Schockley :
 q.VR s .J  


J d  J s . e K BT  1




(I.3)
Avec Is le courant de saturation sous polarisation inverse, V=V appliquée -Vbi (Vbi barrière de
potentiel interne) et n le facteur d'idéalité (0< n ≤ 1 où 1 est le cas idéal).
5
Chapitre I
Généralités
Les schémas de la Figure I-3 présentent les circuits électriques équivalents d‟une cellule
solaire PV idéale sous éclairement. Une source de courant a été mise en parallèle à la jonction
(diode). Cette source de courant génère le photocourant J PH sous illumination. Rc est la
résistance de charge du circuit extérieur. On modélise sous éclairement la densité de courant J
du circuit extérieur comme étant la somme de J d et de JPH [5] :
Figure I.3 Circuit électrique équivalent d‟une cellule solaire PV idéale sous éclairement.
Pour passer aux cas d‟une cellule solaire réelle (Figure I-4), il faut modifier le schéma
électrique en prenant en compte les pertes dues aux résistances série et shunt (R s et Rsh) de la
cellule. La loi des nœuds donne :
J  J PH  J d  J SH
(I.4)
V  J.R S  J SH .R SH
(I.5)
Figure I.4 Circuit électrique équivalent d‟une cellule solaire PV réelle sous éclairement (modèle à
une seule diode)
6
Chapitre I
Généralités
L‟équation déterminant la densité de courant est alors :
  q(V  R S J )   V  R S J 
  1 
J  J PH  J S exp
R SH
  nK B T  
(I.6)
. Rs : résistance série(idéalement<50Ω) est la résistance interne de la cellule ; elle dépend
principalement de la résistance du semi-conducteur utilisé, de celle des electrodes et du
contact métal-semiconducteur ;
. Rsh : résistance shunt (idéalement ~MΩ) est due à un courant de fuite au niveau de la
jonction ; elle dépend de la façon dont celle-ci a été réalisée.
Il existe aussi un autre schéma équivalent qui est souvent utilisé pour la modélisation
des cellules photovoltaïques et qui utilise une deuxième diode en parallèle avec la première
comme montre le schéma ci-dessous :
Figure I.5 Schéma équivalent d‟une cellule photovoltaïque (modèle à deux diodes)
L‟équation déterminant la densité de courant dans ce modèle est donc :
  (V  R S J)  
  ( V  R S J )  V  R S J
  1  J S2 exp q
 
J  J PH  J S1 exp q
K B .T  
R SH
 
  n.K B .T 
( I .7 )
Où JS1 et JS2 sont respectivement la densité de courant de saturation inverse dû à la diffusion
des porteurs minoritaires dans la jonction et la densité de courant de saturation dû aux
recombinaison et génération des porteurs à travers de centres localisés dans la zone de charge
d‟espace.
7
Chapitre I
Généralités
I.5 Paramètres des cellules photovoltaïques [5]
Les paramètres des cellules photovoltaïques (JCC, VCO, FF et η), extraits des
caractéristiques densité de courant-tension, permettent de comparer les différentes cellules
éclairées dans des conditions identiques.
Figure.I.6 Caractéristique densité de courant - tension d‟une cellule PV
a) obscurité b) sous éclairement
I.5 .1- Courant de court-circuit, JCC
Il s‟agit de la densité de courant obtenu en court-circuitant les bornes de la cellule (en
prenant V= 0 dans le schéma équivalent). Il croît linéairement avec l‟intensité d‟illumination
de la cellule et dépend de la surface éclairée, de la longueur d‟onde du rayonnement, de la
mobilité des porteurs et de la température.
I.5 .2- Tension à circuit ouvert, VOC
La tension à circuit ouvert est obtenue quand la densité de courant qui traverse la
cellule est nul. Elle dépend de la barrière d‟énergie et de la résistance shunt. Elle décroît avec
la température et varie peu avec l‟intensité lumineuse.
I.5 .3- Facteur de forme FF:
On appelle facteur de forme FF (filling factor), le rapport entre la valeur maximale de
la puissance pouvant être extraite Im Vm de la photopile sous les conditions de mesures
standardisées, et le produit J CC  VCO où:
Jcc = densité de courant de court-circuit
8
Chapitre I
Généralités
Vco = tension de circuit ouvert
F.F 
J m  Vm
J CC  VCO
(I.8)
Il représente une mesure de la qualité de l‟allure de la caractéristique J-V
I.5 .4- Le rendement, η
Le rendement, η (efficiency) des cellules PV désigne le rendement de conversion en
puissance. Il est défini comme étant le rapport entre la puissance maximale délivrée par la
cellule et la puissance lumineuse incidente, Pin.

Pm ax FF  J CC  VCO

Pin
Pin
( I .9)
Ce rendement peut être amélioré en augmentant le facteur de forme, la densité courant de
court-circuit et la tension à circuit ouvert.
I. 5.5- Le rendement quantique externe, EQE
Le rendement quantique est le rapport entre le nombre d‟électrons dans le circuit
externe et le nombre de photons incidents. Lorsque les photons perdus par réflexion (à la
fenêtre de la cellule) et les photons transmis (à cause de l‟absorption incomplète) ne sont pas
pris en compte, cette grandeur s‟appelle alors le rendement quantique interne, IQE (internal
quantum efficiency). Dans le cas contraire, ce paramètre s‟appelle le rendement quantique
externe, EQE (external quantum efficiency). Le rendement quantique est défini comme
suit[6]:
EQE 
J cc E ph () J cc () hc



()
e
() e
(I.10)
Où Jcc est la densité de courant de court-circuit, φ le flux lumineux incident, e la charge de
l‟électron et Eph l‟énergie du photon (avec Eph=hc/λ, h étant la constante de Plank, c la vitesse
de la lumière et λ la longueur d‟onde).
9
Chapitre I
Généralités
Le rapport Jcc(λ)/φ(λ) est appelé "la réponse spectrale" de la cellule, elle est notée SR(λ).
Cette dernière représente la sensibilité de la cellule pour chaque longueur d‟onde. Elle est
souvent utilisée dans le marché de l‟électronique comme caractéristique des photodiodes.
EQE peut s‟écrire suivant l‟expression :
EQE  SR  
hc
e
(I .11)
Le rendement quantique dépend du coefficient d‟absorption des matériaux utilisés, de
l‟énergie d‟ionisation, de la largeur de la zone de déplétion et de l‟efficacité de collecte. Il est
mesuré en fonction de la longueur d‟onde émise par une source monochromatique. Le
rendement de 100 % dans le cas idéal (sans pertes) correspond à la récolte par les électrodes
d‟une paire électron-trou par photon incident. Des valeurs de 50 % et 80 % ont été reportées
pour les matériaux organiques et inorganiques respectivement.
I.6 Objectifs de la thèse
Dans cette thèse, nous essayerons d‟étudier les propriétés optiques de différentes
couches de cellules solaires organiques en s‟appuyant surtout sur l‟une des composants
principale d‟une onde électromagnétique qui est le champ électrique ,plus particulièrement
dans la couche active de la cellule solaire organique. Pour cela nous nous sommes fixés sur
les objectifs suivants :
I.6.1Modélisation électro-optique
L‟interaction rayonnement matière est l‟un des phénomènes physiques les plus étudiés
aux cours de ce dernier siècle, notamment avec les semi-conducteurs et plus précisément avec
les matériaux polymères qui constituent la base de l‟électronique du jetable. Le suivis de
l‟une des composantes de l‟onde électromagnétique (champ électrique) et son influence sur le
semi-conducteur organique nécessite une modélisation concrète afin de prédire une
dissociation efficace des excitons. La dépendance des taux de dissociation et de
recombinaison d‟un champ électrique est nécessaire pour amorcer cette recherche, sans
oublier bien sur une description mathématique générale du transport électronique par
hopping.
10
Chapitre I
Généralités
I.6.2 Applications aux différents matériaux
Le calcule de la réflectivité du dispositif multicouche par la méthode matricielle
décrite précédemment pour des prototypes à base de MDMO-PPV/PCBM, nous à permis
d‟optimiser tout d‟abord la répartition du module au carré du champ électrique selon
l‟épaisseur de la couche active, ainsi de trouver une relation de proportionnalité entre le
facteur de forme et le module du champ électrique pour les cellules solaires sans couche
supplémentaire et l‟optimum des performances photovoltaïques avec les couches les plus
minces de la couche protectrices.
Par simulation numérique des modèles détaillés au chapitre III et par application aux
différents cellules solaires à base de MEH-PPV/PCBM, P3HT /PCBM et en introduisant des
couches protectrices et des buffers on va dériver plusieurs paramètres électro-optiques tel
que le taux de génération, le taux de dissociation des excitons, le taux de recombinaison et
l‟efficacité quantique.
I.6.3 Optimisation d’une cellule solaire Tandem
L‟étude de la différence entre les modèles de une et deux diodes dans la nomenclature
tandem
des
cellules
solaires
P3HT:PC71BM/PCPDTBT:PC71BM
pour
différents
températures, résistances série facteur de qualité et gap. Les structures de dispositif à analyser
ont été configurées dans un arrangement tandem en série où les cellules individuelles sont
séparées par l'oxyde de titane (TiOX).
11
Chapitre I
Généralités
References
[1]
Honsberg.C.,
Bowden,Photovoltaics:devices,systems
andapplications
.Sydney
austria:Univ of south Wales, 1998.
[2] Mohsen Taherbaneh, Gholamreza Farahani and Karim Rahmani Evaluation the Accuracy
of One-Diode and Two-Diode Models for a Solar Panel Based Open-Air Climate
Measurements "Solar Cells - Silicon Wafer-Based Technologies", Leonid A. Kosyachenko,
ISBN 978-953-307-747-5,November 2, 2011
[3] C.J. Brabec, J.A. Hauch, P. Schilinsky and C. Waldauf, „Theme Article – Production
Aspects of Organic Photovoltaics and Their Impact on the Commercialization of Devices‟,
Mrs Bull., Vol. 30, p. 50, 2005.
[4] “Hiigh Power Organiic Sollar Celllls ffrom Effffiiciientt Uttiilliizattiion off Near-IInffrared Sollar Energy” ,Green Power the magazine of renewable ,sustainable and clean
energy.
[5] Le pompage photovoltaïque, manuel de cours à l‟intention des ingénieurs et des
techniciens.
[6] Mimoun OUKACHMIH; Les cellules photovoltaïques a base de matériaux organiques
discotiques thèse de doctotat Université Paul SABATIER2003.
12
CHAPITRE II
Les cellules
photovoltaïques
organiques
Chapitre II
Photovoltaïques Organiques
CHAPITRE II
CELLULES PHOTOVOLTAÏQUES ORGANIQUES
Introduction
L’objectif de ce chapitre est de présenter une étude sur les cellules solaires
organiques et leur principe de fonctionnement. Une comparaison sera introduite
entre les cellules solaires organiques et inorganiques.
Historique des cellules photovoltaïques organiques
Au début des années 1970, le rendement en puissance des cellules organiques
était inférieur à 10-5 % . Cette valeur est passée à 0,7 % en 1978 puis à 1 % en 1986 .
Les dix années suivantes n’ont pas vu d’évolution notable de ce rendement ; les
travaux publiés traitaient alors des propriétés optoélectroniques et structurales des
cellules organiques. Les quelques publications de rendements dépassant les 3%
concernaient des mesures avec irradiation sous une lumière monochromatique de
faible intensité qui ne pouvaient pas être comparées avec celles obtenues sous lumière
naturelle. En 1998, le cap des 1% a été franchi avec la publication d’un rendement de
1,9%.
Malgré ces progrès, le doute subsistait quant à une future utilisation de ces
dispositifs à cause de problèmes tels que la stabilité et la durée de vie des cellules. La
commercialisation des premières diodes électroluminescentes à base de matériaux
organiques (OLED) par Pioneer en 1996 a atténué les critiques concernant la stabilité
des matériaux organiques et leur capacité à remplacer les matériaux inorganiques dans
certains dispositifs électriques. Il s’en est suivi un regain d’intérêt dans le domaine des
convertisseurs photovoltaïques organiques. Les efforts de recherche ont été multipliés,
soutenus par des budgets provenant de quelques industries et d’organismes de
développement des énergies renouvelables. Récemment, des rendements de plus de
4% ont été reportés dans des publications et des prototypes ayant un rendement
d’environ 5% ont été fabriqués pour des cellules solaires 100% organiques. Ces
progrès accomplis depuis peu laissent supposer qu’une commercialisation future de
ces dispositifs est envisageable.
14
Chapitre II
Photovoltaïques Organiques
II.1 Les semi-conducteurs organiques
Un semi-conducteur organique est un composé organique, sous la forme d'un
cristal ou d'un polymère, qui montre des propriétés similaires aux semi-conducteurs
inorganiques. Ces propriétés sont la conduction par les électrons et les trous, ainsi que
la présence d'une bande interdite. Ces matériaux ont donné naissance à l'électronique
organique, ou électronique des plastiques. Par organique, on entend que les molécules
utilisées sont à base de carbone [1].
II.1.1- Origines de la conductivité
Lorsque deux orbitales atomiques s’associent, elles donnent naissance à une
orbitale moléculaire. Celle-ci peut avoir deux niveaux d’énergie. Dans le cas de la
liaison π, la plus basse énergie π est dite liante, formant la bande de valence : HOMO
(Highest Occupied Molecular Orbital), alors que la plus haute π* est dite anti-liante,
formant la bande de conduction : LUMO (Lowest Unoccupied Molecular Orbital). Ce
bandgap confère le caractère semi-conducteur[2].
Le caractère semi-conducteur d'un matériau organique est dû aussi à la
présence d'un système conjugué, c'est-à-dire à l'alternance de liaison carbone simple
(σ) et double (σ+π). La différence de longueur des liaisons permet d'envisager les
deux formes suivantes qui sont énergétiquement équivalentes[3].
Figure II.1 Formes d'un système conjugué.
Les hydrocarbures aromatiques polycycliques sont des exemples de ce type de
semi-conducteur. Malgré tout, les polymères conducteurs ont une grande résistance,
comparativement aux conducteurs inorganiques. On peut doper les matériaux
organiques avec des métaux pour augmenter leur conductivité.
15
Chapitre II
Photovoltaïques Organiques
II.1.2- Ressemblances avec les semi-conducteurs inorganiques
Comme les semi-conducteurs inorganiques, les semi-conducteurs organiques
peuvent être dopés, c'est-à-dire qu'on peut y produire des électrons en excès (dopage
N) ou des trous (dopage P). Dans les semi-conducteurs inorganiques, cela est fait
habituellement par implantation ionique, c'est-à-dire en ajoutant des ions dans le
semi-conducteur. Ces ions ont des électrons de valence en supplémentaires ou
manquants, selon le cas, ce qui permet d'ajouter les porteurs de charge désirés.
Cependant, cette technique est trop énergétique pour doper des films de semiconducteurs organiques, ces derniers étant trop fragiles pour ce genre d'intervention.
La technique préconisée est donc d'exposer le film de semi-conducteur organique à
une vapeur d'un oxydant ou d'un réducteur, ce qui aura comme effet d'arracher ou
d'ajouter des électrons au film. Les semi-conducteurs très dopés comme la polyaniline
(Ormecon) et le PEDOT:PSS sont aussi appelés métaux organiques d’aprés [1].
II.2 Fonctionnement des cellules photovoltaïques organiques
II.2.1- Génération des porteurs dans les matériaux organiques [4]
Même si le processus de photogénération des porteurs de charges dans les
matériaux organiques n’est pas rigoureusement expliqué, il est souvent attribué à la
dissociation des excitons (molécules à l’état excité) en présence d’un champ
électrique interne généré par une interface, une impureté ou des défauts.
L’absorption de la lumière entraîne dans un premier temps la création des
excitons suivant le processus décrit par la relation:
S0  h  S
Où S0 et S* dénotent respectivement les états fondamental et excité de la molécule.
En raison d’un gradient de concentration, ces excitons diffusent vers un contact, une
interface, une impureté, ou autre inhomogénéité notée M. Ils vont alors se dissocier
pour donner une paire électron-trou (e- et h+).
16
Chapitre II
Photovoltaïques Organiques
S0  M  e   h 
Le mécanisme de génération du photocourant est expliqué par le modèle décrit dans le
paragraphe suivant.
II.2.2- Processus de génération du photo-courant [2,5]
Dans le cas d’une cellule PV formée par la jonction de deux matériaux
organiques, l’absorption s’effectue dans les deux couches en doublant la largeur de la
zone photo-active. La génération du photo-courant s’effectue à l’interface entre les
matériaux organiques. Les étapes de génération du photo-courant, schématisées sur la
figure 6, sont les suivantes :
(1) L’absorption des photons (ηA) par les matériaux génère des excitons dans
les deux matériaux,
(2) La migration de l’énergie s’effectue par la diffusion des excitons (η diff)
vers l’interface entre les deux matériaux organiques. Si les excitons sont générés à une
distance inférieure à LDexc appelée longueur de diffusion des excitons, ils peuvent
diffuser jusqu’à l’interface. Sinon les charges qui les constituent finissent par se
recombiner,
(3) La dissociation des excitons (ηTC) qui atteignent l’interface entre les deux
matériaux organiques constitue la 3ème étape du processus. Les électrons sont attirés
par le matériau ayant une grande affinité électronique et les trous par le matériau
ayant un faible potentiel d’ionisation. Si la dissociation s’effectue loin de l’interface
dans une région neutre, l’électron et le trou finissent par se recombiner,
(4) Enfin les porteurs de charge ainsi créés rejoignent les électrodes (η CC) et le
circuit externe à la cellule. Le transport de charge vers les électrodes est contrôlé par
les mobilités des porteurs dans les couches organiques.
17
Chapitre II
Photovoltaïques Organiques
Figure II.2 Schéma descriptif montrant les étapes de génération du photo-courant
Plusieurs processus rentrent en compétition avec la formation des porteurs de
charge et contribuent ainsi à la diminution du photo-courant. Parmi ces processus,
représentés sur la figure II-9, on peut citer la fluorescence (II.1), l’extinction de la
lumière «quenching» (II.2), le piégeage des porteurs (II.3, II.4) et les recombinaisons
(II.5, 6, 7).
 S0  h
S*
S*  M  S0  M*
(II.1)
(II.2)
e  M  M 
(II.3)
h  M  M
(II.4)


e  h  S0
(II.5)
e   M   S0  M
(II.6)
h   M   S0  M
(II.7)
Figure II.3 Processus rentrant en compétition avec la formation des porteurs de charge
18
Chapitre II
Photovoltaïques Organiques
II.3 Estimation du rendement énergétique maximal des cellules solaires
organique [5] :
LUMO
LUMO
HOMO
HOMO
Figure II.4 Schéma du processus PV dans une jonction D-A
Le rendement d'IQE (pour Internal Quantum Efficiency) est, par définition, le
rapport du rendement EQE et de l'efficacité d'absorption (ηA) c'est-à-dire le nombre de
photons absorbés par la cellule.
Dès lors, on peut écrire le rendement EQE comme le produit des efficacités
des étapes successives du processus.
On peut donc écrire :
EQE   A  IQE   A   Diff  TC   CC
(II.8)
Si on considère, que ηTC et ηCC sont égales à 100%, alors les étapes limitantes
viennent de l'absorption menant à la génération des excitons et de la diffusion des
excitons vers l'interface Donneur-Accepteur. Ainsi l'efficacité quantique externe
devient simplement l'équation :
EQE  A  Diff
(II.9)
Le rendement de conversion énergétique (η) d’une cellule solaire organique est le
produit de quatre contributions :
19
Chapitre II
Photovoltaïques Organiques
   A  TC  FF 

eVm ax
h
(II.10)
ηTC est l'efficacité de transfert de charges, elle dépend du champ interne. On peut
attendre une valeur de 100% pour une zone de champ fort.

ηCC est l’efficacité de collecte des charges libres aux électrodes elle est
théoriquement élevé (ηCC ~ 100%) car les contacts SC/Métal sont de type ohmique
dans le cas des hétérojonctions D-A.

ηA est l'efficacité d’absorption du matériau. On peut supposer que ηA = 50%,
compte tenu des forts coefficients d’absorption (α > 10 5 cm-1) sur une large gamme
de longueur d’onde (de 100 à 200 nm).

FF, le facteur de forme, peut être pris proche de 1 (~0.8) si la résistance série est
faible (Rs < 50 Ω) et la résistance shunt est grande (Rsh < 25 kΩ)

Enfin, le rapport d’énergie eVmax/hν entre l’énergie électrique extraite (0.5 eV)
et l’énergie de photons absorbés (2eV) donne la valeur ¼.
On obtient ainsi un ordre de grandeur accessible pour le rendement de cellules
solaires organiques : 10%. C’est le rendement nécessaire pour une application
industrielle.
II.4- Conduction par sauts
La conduction telle que nous l'avons présentée ci-dessus et dans le cas réel est
limitée par la possibilité de piégeage de la charge électrique, ce qui tend à localiser la
charge sur certains sites du polymère ou de la molécule. En effet, l'apparition d'une
charge sur une chaîne conjuguée ne se traduit pas nécessairement par la présence d'un
électron dans la bande de conduction (ou d'un trou dans la bande de valence). La
charge électrique déforme localement la chaîne et provoque la création de niveaux
d'énergie localisés dans la bande interdite. Le défaut résultant de cette déformation,
représenté sur la Figure II-5, est appelé polaron. Il correspond à un piégeage de la
charge électrique, conséquence de la déformation qu'elle a elle-même induite [3].
20
Chapitre II
Photovoltaïques Organiques
Figure II.5 Polaron dans un polythiophène.
(a) Chaîne de polythiophène neutre avec une représentation simplifiée de son diagramme
d’énergie.
(b) L'introduction d'une charge positive fait apparaître un défaut qui s'étend
sur plusieurs unités monomères . Deux niveaux sont créés dans la bande interdite.
II.5 Différentes structures pour les cellules solaires organiques:
II.5.1 Structure monocouche (Schottky)[6]:
Dans les structures MIM (métal-isolant-métal), seule la différence du potentiel
interne (ΔWint) s’efforce de dissocier l’exciton photogénéré comme il est représenté
sur la figure II-6 (avec ΔWint = Wanode – Wcathode ; ΔWint est la différence des travaux
de sortie de l’anode et de la cathode). Ne pouvant que difficilement traverser la
couche d’isolant (une certaine vue de la couche organique), les électrons sont piégés
ou se recombinent avec les trous, donnant un résultat global médiocre et faible dans
une telle structure.
Figure II.6 photogénération de charges dans une structure MIM.
21
Chapitre II
Photovoltaïques Organiques
Les rendements publiés pour ces structures sont faibles (inférieurs à 0,1% ) à
cause d’une hauteur de barrière d’énergie insuffisante pour dissocier efficacement les
excitons, mais aussi à cause d’un faible facteur de forme. L’utilisation des
hétérojonctions s’est avérée une solution pour pallier ces problèmes.
II.5.2 Structures à hétérojonction bicouches:
Ont distingue deux types de structures bicouches à hétérojonction :
II.5.2-1Structures à base de polymères
Les polymères de la famille du polythiophène sont largement utilisés dans tous
les domaines de l’électronique plastique.
Figure II.7 Polythiophène (PT)
Des cellules de type Schottky Al/poly(3-méthylthiophène)/Au ont été réalisées
électrochimiquement par S. Glénis et al. en 1984 . Les rendements obtenus étaient de
l'ordre de 0.01% sous 1mW/cm².
Afin d’éviter la formation d’une couche d’oxyde à l’interface SC-Aluminium,
des cellules ont été réalisées en utilisant le SC inorganique transparent TiO 2. Les
rendements ont atteints 0.008% sous 100mW/cm² et 0.3% en monochromatique[7] .
Dans le groupe de J.M. Nunzi, L. Sicot a travaillé sur des structures D-A «
hybride » ITO/molécules/polymère dopé/Or à base de dérivé de pérylène (accepteur)
et de P3BT dopé par un colorant. Le rendement maximal mesuré était de 0.15% de 0.2
à 200mW/cm², et l’EQE maximal atteignait 1.4%. L'approche proposée par C. Sentein
d'orientation de molécules par un champ externe (poling) a été appliquée au P3BT
contenant une molécule polaire et un colorant. Une amélioration des rendements d'un
facteur 40 a été montré sur cette diode Schottky[8,9] .
II.5.2-2 Structure à bases de molécules évaporées [10]
Les cellules PVs organiques de type bicouche évaporées ont été étudiées
depuis près de trois décennies.
22
Chapitre II
Photovoltaïques Organiques
La plupart ont porté sur des diodes à base de phthalocyanines et de pérylènes,
faisant suite à la performance de la diode de C. W. Tang de Eastman Kodak en 1986.
La cellule réalisée par C.W. Tang à base de phtalocyanine de cuivre et de dérivé de
pérylène pris en sandwich entre des électrodes d'ITO et d'argent affiche un rendement
de conversion de 1% sous 75mW/cm² (AM2).
D. Meissner travail depuis 1991 sur ces cellules de type Tang à base de
phthalocyanines et de pérylènes sans toutefois l'égaler. Les premiers résultats
donnaient des rendements de 0.014% (Voc=0.45V, 36μA/cm² probablement sous
30mW/cm²). Meissner propose ensuite dans ses différents articles parus en 2000
l'insertion d'une couche co-évaporée de fullerène et de phtalocyanine de zinc (1:1)
entre les deux couches de la structure classique (ITO/ZnPc/Pérylène/Or). Le
rendement de la cellule augmente de façon significative jusqu'à 1% sous AM1.5 .
Enfin, une étude systématique a été effectuée par D. Wöhrle en 1995 en
composant des cellules avec quatre phthalocyanines différentes comme donneur et
deux dérivés de pérylènes comme accepteur. Il a étudié la reproductibilité des
cellules, l'influence de la pureté, des vitesses d'évaporation, de la température du
substrat et enfin de l'épaisseur des films. Le plus fort rendement obtenu est de 0.43%
sous 100mW/cm² pour une diode ITO/diméthyl pérylène (D1P) 25nm / ZnPc 50nm
/Au délivrant 3.53mA/cm² sous 0.4V et un FF de 0.3.
II.5.3 Structures hétérojonctions en volume :
II.5.3-1- Structures en réseaux interpénétrées:
Figure II.8 Schématisation d’une structure interpénétrée.
L'approche suivie pour améliorer le système à hétérojonction est de redéfinir
son architecture en élaborant des films fins constitués par un mélange intime des
23
Chapitre II
Photovoltaïques Organiques
molécules donneuses D et acceptrices A. Ainsi, tout le volume organique déposé est
susceptible de collaborer à la conversion photovoltaïque du fait que tout exciton
généré se trouve proche d’une zone de séparation, et ceci quelque soit la direction
prise durant sa diffusion. La figure I.8 représente un système composite de 2 phases p
et n interpénétrées.
La réalisation de réseaux interpénétrés à base de petites molécules fait
intervenir une co-évaporation des 2 molécules D et A à des vitesses appropriées pour
l’obtention de différents rapports moléculaires ou pondéraux D:A. Ce mélange intime
est ainsi obtenu sans le recours à une chimie sophistiquée de greffage ou de
solubilisation hypothétique de matériaux. La difficulté, une fois passée celle du
contrôle fin des taux d’évaporation des molécules, est de pouvoir contrôler la
morphologie des films composites. Il est habituellement observé une amélioration des
performances par rapport aux structures bicouches [11].
II.5.3-1-a Petites molécules
Des études furent principalement consacrées au couple phtalocyanine – C60
. Des cellules interpénétrées à base de ZnPc (phtlocyanine de zinc) et C60 montrent
l’apparition d’une nouvelle bande d’absorption optique à 1,5 eV et une forte
modification de la bande d’absorption du ZnPc à 1,9 eV. On peut noter que l’intensité
de ces bandes dépend de la concentration du dopant de C60 dans le ZnPc.
L’épaisseur de la région active de ces cellules est bien supérieure à celle des
hétérojonctions. Il a été trouvé des épaisseurs au-delà de 30 nm (jusqu’à 50nm[12] )
pour des hétérojonctions dans le volume à base de ZnPc : C60 . Il est aussi reporté
qu’un mélange D : A où la concentration en C60 devient prépondérante améliore les
performances des cellules.
Les rendements actuels de conversion d’énergie restent faibles à cause d’une
faible mobilité des charges dans les solides organiques, même si les couches sont
aussi fines que possible. Pour leur part, les polymères conjugués présentent une
meilleure mobilité, et reportent de ce fait de meilleurs rendements.
24
Chapitre II
Photovoltaïques Organiques
II.5.3-1-b Réseaux interpénétrés à base de polymères
Dans les polymères conjugués, la stabilisation de la paire électron (e) – trou
(h) photogénérée peut être obtenue en mélangeant le polymère (surtout de type p)
avec une couche acceptrice ayant une affinité électronique supérieure à celle du
polymère mais inférieure au potentiel d’ionisation de ce dernier : majoritairement, ce
sont les dérivés du C60 qui jouent le rôle de couche acceptrice. Le donneur et
l’accepteur sont soit en liaison covalente (intramoléculaire : chaîne polymère entée
C60, polymère ‘double cable’), soit proches spatialement mais non liés
(intermoléculaire : film composite polymère – C60 rendu possible en utilisant un
même solvant (ortho dichloro benzene : ODCB), afin d’obtenir une grande
concentration de C60, soit une plus grande interface D – A). Nous rappelons que pour
une séparation efficace des charges, il faut que : ID* - AA – UC < 0, avec ID* le
potentiel d’ionisation de l’état excité du donneur, AA l’affinité électronique de
l’accepteur, et UC l’énergie coulombienne des radicaux séparés (incluant les effets de
polarisation). Outre la conversion photovoltaïque, il est à noter que cette séparation de
charge pourrait aussi trouver son application dans le stockage d’informations [12].
L’équipe de Sariciftci et Heeger a mis en évidence le transfert électronique
photoinduit de l’état excité d’un polymère conducteur vers le buckminster fullerène
C60. Le composite de ces deux matériaux montre un transfert électronique
photoinduit et une séparation de charge ultrarapide, réversible et métastable. Ce
processus est similaire à la première étape de la photosynthèse.
Finalement d’un point de vue morphologique, la séparation efficace des
charges n’apparaît qu’à l’interface D – A. Aussi, la photoexcitation créée loin de
l’interface D – A donne lieu à des recombinaisons plutôt qu’à une diffusion efficace à
l’hétérojonction. De plus, même si les charges sont séparées à l’interface, le
rendement de conversion est limité par l’efficacité de la collecte des charges. Les
différents rendements d’une cellule photovoltaïque sont fonction de la morphologie et
de la composition chimique du composite. L’amélioration des rendements provient de
l’augmentation de la surface d’interface D – A, et de la relative courte distance entre
n’importe quel point du volume photoactif et l’interface D – A de séparation des
charges. Les jonctions internes D – A empêchent de plus la recombinaison des
porteurs et donc améliore la durée de vie des porteurs photoinduits[13].
25
Chapitre II
Photovoltaïques Organiques
Les dérivés solubles du C60 (par exemple le PCBM : (6,6)-phenyl-C61butyric acid methyl ester) conduisent à des films composites contenant plus de 80 %
en molécules de fullerène ; pour sa part, le C60 pur n’est que faiblement soluble.
Un exemple d’une structure interpénétrée composée d’une phase de MEH-PPV
agissant comme un donneur (type p), et d’une phase de fullerène (C60) de type n à
cause de sa forte affinité électronique, est donné figure II-9.
Figure II.9 Schématisation du procédé physique dans un composite d’un polymère PoD
et de C60.
Cette structure peut être affiliée à un réseau interpénétré d’hétérojonctions DA, permettant une séparation efficace quasi-immédiate des charges photo-générées,
qui sont ensuite transportées par des chemins de percolation de type n et p vers leurs
électrodes respectives. La couche photo-active englobe tout le volume. Les 2
matériaux mélangés de gaps différents donnent lieu à des zones sub-systèmes avec
des niveaux où les électrons sont transférés entre les donneurs et les accepteurs. Pour
une telle structure, l’idéal est que la distance donneur-accepteur reste inférieure à la
longueur de diffusion des excitons, d’où une séparation des paires photo-générées
(une dissociation excitonique) facilitée [14].
26
Chapitre II
Photovoltaïques Organiques
II.5.4 Structures Tandem
L’absorption d’une plus grande partie du spectre solaire est l’une des
conditions pour l’amélioration des performances des cellules photovoltaïques
organiques.
Figure II.10 Structure d’une cellule solaire tandem [15]
Afin de répondre à ce besoin, de nouvelles structures dites « tandem » ont été
étudiées depuis 2006. Il s’agit de l’empilement de deux cellules l’une sur l’autre. Ces
deux cellules sont mises en série grâce à une couche de recombinaison des porteurs de
charges. La tension de circuit ouvert du dispositif est donc la somme des tensions de
circuit ouvert des cellules si elles étaient prises seules, et le courant de court circuit est
le plus faible des deux cellules [16-17].
Cette structure offre l’avantage de pouvoir utiliser deux matériaux dont les
bandes interdites (et donc les spectres d’absorption) sont différent. Le dispositif est
donc capable d’absorber la somme des deux spectres d’absorption.
Les couches actives peuvent être composées de mélanges polymère/fullerène
ou de petites molécules. On peut par ailleurs utiliser de différents types de matériaux
dans les deux couches, ce qui donne une grande latitude quant à la fabrication de la
cellule.
La première des cellules tandem était par exemple composée d’une couche de
petites molécules évaporées pour la première cellule et d’une couche polymère déposé
en voie humide pour la seconde [18]. Par la suite, des cellules tandem utilisant
différents matériaux ont été testées [19-20], jusqu’a atteindre des rendements de 6,7%
27
Chapitre II
Photovoltaïques Organiques
grâce a l’utilisation d’une couche de recombinaison en TiOx et de deux polymères
dont les bandes interdites sont distincts (le PCPDTBT et le P3HT) [21].
Ces structures devraient permettre d’atteindre des rendements de conversion proches
de 15% [22]
II.5.5- Cellules de type Graetzel
Les cellules de type Graetzel sont comparables à des pompes à électrons mues
par l'énergie lumineuse absorbée comme présentée sur la Figure II-11. Les fonctions
d’absorption de la lumière et de transport de charges y sont distinctes. Le
fonctionnement des cellules est décrit ci-dessous.
Figure II.11 Schéma de principe et énergétique d'une cellule solaire à colorant. (d'après
Laboratoire Photonics and Interfaces, Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne)
Le sensibilisateur (S) est greffé à la surface d’un oxyde SC poreux
nanostructuré (le dioxyde de titane TiO2) qui agit comme une éponge pour le colorant.
Il absorbe les rayons solaires incidents et passe dans un état excité S*, d'où il est à
même d'injecter un électron dans la bande de conduction du TiO2. Les électrons ainsi
injectés traversent la couche de TiO2 et sont ensuite recueillis par un collecteur de
courant vers le circuit extérieur. Il y a alors production d'énergie électrique. Le
sensibilisateur, laissé sous forme S+, échange sa charge positive contre un électron
28
Chapitre II
Photovoltaïques Organiques
(interception ou réduction de S+) au médiateur redox qui s'oxyde. Le sensibilisateur
retourne dans son état fondamental S0 et le médiateur donne la charge positive à la
contre électrode (CE). Il retourne à sa forme réduite avec ce dernier transfert
d'électron venant de la CE[23].
Le flux d'électron de la CE vers le sensibilisateur via le couple médiateur est
permis par la présence du champ électrique interne au matériau et boucle le cycle des
réactions redox. La recombinaison de l'électron depuis la bande de conduction du
TiO2 vers le colorant oxydé S+ est un processus lent, beaucoup plus lent que la
réduction de S+ par le médiateur en solution. De ce fait la séparation de charge est
efficace. L'électrolyte organique est souvent le nitrile et contient le couple médiateur
Triodure/Iodure (I3- + 2e- = 3 I-). La CE est un substrat de verre / Sn02 plus une
infime couche de platine servant de catalyseur à la réduction du médiateur. La tension
maximale débitée correspond à la différence entre le potentiel d'oxydoréduction du
médiateur et le niveau de Fermi du SC [24].
La cellule de type Graetzel est une cellule photoélectrochimique présentant
des avantages uniques, tels que l'utilisation de matériaux de faible coût (TiO2) et la
possible simplicité de fabrication. Les performances de conversion PV dépassent
aujourd'hui les 15% [25].
II.6 Comparaison avec les cellules solaires classiques et à base de silicium:
Les mécanismes qui gèrent le fonctionnement des cellules photovoltaïques
organiques sont sensiblement différents de ceux qui sont mis en jeu dans les cellules à
base du silicium (le gap du Silicium est 1.2eV et environ 2eV pour les s.c organiques).
La différence est due à l’absence d’un réseau cristallin à trois dimensions, aux
différentes interactions inter et intramoléculaire, aux structures désordonnées et aux
impuretés chimiques. L’application du modèle classique des bandes d’énergie est
souvent utilisée pour fournir une explication qualitative du fonctionnement des
cellules. Ceci reste cependant une approximation.
Les photons absorbés dans les semi-conducteurs inorganiques, seuls utiles à la
génération de l’effet photovoltaïque, sont ceux dont l’énergie h est supérieure ou
29
Chapitre II
Photovoltaïques Organiques
égale au gap du matériau. L’énergie absorbée crée alors des paires électron-trou
(génération directe des porteurs libres) qui se séparent en présence d’une
barrière de potentiel (barrière Schottky ou jonction PN).
Ce processus est différent dans les matériaux organiques à cause de leurs
structures désordonnées. Dans ces matériaux, l’absorption des photons crée des
excitons (des paires électrons trous liés électrostatiquement) au lieu des porteurs libres
qui se dissocient en présence d’un champ électrique. Il est donc difficile d’appliquer
la théorie développée dans le cas des matériaux inorganiques aux organiques.
Cependant, l’application du modèle du diagramme énergétique permet de comprendre
qualitativement les phénomènes physiques mis en œuvre dans ces matériaux. La
bande de conduction correspond à ce qu’on appelle l’orbitale moléculaire non
occupée la plus basse (LUMO) et la bande de valence correspond à l’orbitale
moléculaire occupée la plus haute (HOMO).
30
Chapitre II
Photovoltaïques Organiques
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Chapitre II
Photovoltaïques Organiques
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[25] Stephany Gardier , Un vitrage multicolore en cellules solaires ,le temps Sciences
& Environnement ,Novembre 2013
32
CHAPITRE III
Modélisation
transport de charges
du
Chapitre III
Transport de charges
CHAPITRE III
MODELISATION DU TRANSPORT DE CHARGES DANS LES
MATERIAUX DESORDONNEES
Introduction
L‟objectif de ce chapitre est de présenter une description mathématique du transport
de charges dans les semi-conducteurs organiques sous influence d‟un champ électrique et
une paramétrisation sera introduite. Nous présentant les propriétés optiques, la génération des
excitons ainsi que la conduction par saut d‟indice (Hopping) utilisées fréquemment dans les
polymères et les systèmes nanocristallines.
III.1 Modélisation optique.
III.1.1 Rappel théorique
Dans cette partie, nous rappellerons la dépendance de l'amplitude de l'onde
électromagnétique en fonction de la polarisation puis nous donnerons la définition de
l'admittance optique qui relie le champ électrique
et le champ magnétique H. Nous
détaillerons ensuite la procédure d'obtention de la matrice caractéristique qui relie les
composantes tangentielles du champ électromagnétique de la première et de la dernière
interface d'un empilement de couches minces. Enfin nous terminerons cette partie en donnant
la méthode de calcul de termes spécifiques tels que l'énergie dissipée (Q) ou le taux de
génération de photons (G).
34
Chapitre III
Transport de charges
Figure III.1 Représentation de l'onde électromagnétique

N
H 
c
 
 




 Z  E   Y  Z  E 




D‟où l'admittance est donné par Y 
(III.1)
N
c
On déduit aussi, d'après l'équation (III.1), qu'une onde plane monochromatique est
caractérisée par la présence dans le même plan de H et E et que ce plan de polarisation est
perpendiculaire à la direction de propagation z[1]. Le repère formé par E, H et u formes donc
un trièdre direct. La trajectoire de E en fonction du temps dans le plan de polarisation définit
l'état de polarisation qui peut être rectiligne, circulaire ou elliptique. Par exemple, la
trajectoire de E dans le plan
x,y
pour une onde plane polarisée elliptiquement
correspondra au tracé d'une ellipse tandis que pour une onde polarisée linéairement ce sera
une droite. La polarisation la plus courante est la polarisation elliptique.
On retiendra que la polarisation d'une onde plane monochromatique dépend du déphasage
entre les composantes orthogonales du plan de polarisation de E. La Figure III.2 représente la
trajectoire de E dans le plan d'onde z=0 pour différents états de polarisation rectiligne,
circulaire et elliptique.
35
Chapitre III
Transport de charges
Figure III.2 Polarisation de E en fonction de Φ
Une onde électromagnétique aura une polarisation transverse électrique (TE ou s) si E est
perpendiculaire au plan d'incidence et une polarisation transverse magnétique (TM ou p) si E
est parallèle au plan d'incidence.
III.1.2 La méthode de transfert de matrice (TMM Transfer Matrix Method)
Nous employons une méthode matricielle afin d‟obtenir les coefficients de réflexion
et de transmission du champ électromagnétique à l‟intérieur du dispositif. Les structures
stratifiés avec des milieux isotropiques et homogènes ainsi qu‟avec des interfaces parallèleplane peut être décrites avec des matrices 2×2 parce que les équations gouvernant la
propagation du champ électrique sont linéaires et le composant tangentiel du champ
électrique est continu[2-3].Nous considérons une onde plane incidente du côté gauche sur
une structure multicouche générale ayant m couches entre un milieu transparent semi-infinie
ambiant et un substrat semi-infinie, comme représenté dans la figure III.3.
36
Chapitre III
Transport de charges
Figure III.3structure multicouche générale ayant m couches entre un milieu transparent semi-infinie
ambiant et un substrat semi-infinie
Chaque couche j,
a une épaisseur dj et ses propriétés optiques sont décrites
par son indice complexe de réfraction
(ou il est fonction diélectrique complexe
), une fonction de la longueur d‟onde (énergie) de la lumière incidente. Le
champ électrique optique à n‟importe quel point dans le système est résolu par deux
composants correspondant au champ électrique total résultant. Une composante se propage
dans la direction positive x et l‟autre dans la direction négative –x, comme ils sont dénotés
Ej+(x) et Ej-(x) respectivement à une position x dans la couche j. Une matrice d‟interface
décrit ensuite chaque interface dans la structure :
(
)
(III.2)
Avec rjk et tjk sont les coefficients de réflexion et de transmission complexes de Fresnel à
l‟interface jk. Pour la lumière avec champ électrique perpendiculaire au plan d‟incidence
(polarisation s ou onde TE), les coefficients de réflexion et de transmission complexes de
Fresnel son défini par
37
Chapitre III
Transport de charges
(III.3)
(III.4)
Pour la lumière avec champ électrique parallèle au plan d‟incidence (polarisation p ou onde
TM),les coefficients de réflexion et de transmission complexes de Fresnel son défini par
(III.5)
(III.6)
Ou
(III.7)
Et
est l‟angle de réfraction dans la couche j
La matrice de couche décrivant la propagation dans la couche est donnée par
(
)
(III.8)
Ou
(III.9)
Et
𝝀est la longueur d‟onde
L‟équation (III.10)donne la somme du champ électrique dans la direction positive et négative
respectivement:
38
Chapitre III
Transport de charges
(III.10)
Puisque l‟énergie optique est une quantité mesurable, la première étape dans le calcul du taux
de génération optique est le calcul du vecteur de Poynting
Pj 

1
E j  H *j
2

(III.11)
L‟énergie dissipée par seconde dans la couche j a la position x est donnée par
|
|
(III.12)
Ou c est la célérité de la lumière,
ε0 la permittivité du vide,
L‟indice de réfraction
Et
Est le coefficient d‟absorption
En utilisant la matrice d‟interface et la matrice de couche, la matrice totale S du
système qui relie le champ électrique du coté ambiant et du substrat est donnée par
(
)=S(
)
(III.13)
Avec
(III.14)
39
Chapitre III
Transport de charges
Figure III.4 Diagramme de séparation de charge à l‟interface entre le polymère
(Donneur; D) et le fullerène (Accepteur; A).
L‟équation du taux de génération pour la population de pair de charge est donnée par[4]
(
Ou
et
)
(III.15)
sont les taux de dissociation et de recombinaison respectivement.
est le taux de recombinaison biomoléculaire et γ le paramètre de recombinaison de
Langevin
Le taux de dissociation dans la présence d‟un champ électrique est donné par la théorie
d‟Onsager par[5]
(
Ou
){
}
(III.16)
est le paramètre de champ.
Avec a la séparation initiale de la paire électron-troue et Eb l'énergie de liaison de cette paire.
L‟efficacité de séparation de charges pour une paire individuelle comme introduite par
Braun[6] ,
(III.17)
40
Chapitre III
Transport de charges
La paire électron-troue liée, formée après la dissociation d‟un exciton à l‟interface
donneur/accepteur, retourne à l‟état fondamentale avec un taux constant kF ou se sépare à des
porteurs libres avec une constante kd(E) fonction du champ électrique. Le taux de
recombinaison (kF) est dominé par une recombinaison non radiative assistée de phonon [7].
Une fois séparé, le porteur de charge aussi forme une paire liée avec un taux constant kr,
comme représenté schématiquement dans la Figure III.4. Par conséquent les porteurs libres
qui sont capturés en pair liée peuvent se dissocier au cours de la durée de vie de la paire liée.
Donc les états de transfert de charges de longues vies donnent un acte de formation pour les
porteurs libres.
Pour les semi-conducteurs de basses mobilités la recombinaison électron-troue est de type
Langevin :
, avec
est la constante diélectrique moyenne et
est
la somme moyenne des mobilités des électron et des troues.
En outre, dans les matériaux désordonnés comme les polymères et les fullerènes il est
improbable que tout les séparations à l‟interface donneur/accepteur de distances a soient les
mêmes [8]. Comme une conséquence, l‟équation III.18 doive être intégrée sur une
distribution de distances de séparation.

P(T , E )  N F  Px, T , E F x dx, .
(III.18)
0
Ou P(x,T,E) est la probabilité qu‟un électron et un troue générés à une distance x , une
température T et un champ électrique E échappe de la recombinaison, F(x) est une fonction
de distribution de la séparation donneur/accepteur, et NF est un facteur de normalisation de la
fonction F(x).
F(x) est donné par la relation[8]
F ( x)  x 2 e
 x2
a2
Avec
NF 
4
1
2
 a3
41
Chapitre III
Transport de charges
III. 2 Description mathématique du transport par Hopping
Le transport de charges dans les matériaux polymères peut être décrit par des paquets d‟ondes
localisés. Ce type de transport soit traité ainsi par des équations de transport par saut
d‟indice. Sous l'hypothèse d'un système non-corrélatif, le saut d‟indice est un processus
aléatoire et sans mémoire (également appelé le processus de Markovian), composé des
déplacements discrets des porteurs de charge entre les états localisés.
III. 2.1 Équation maitresse
Décrivons la couche active comme un ensemble de N sites occupés par M porteurs de charge.
Le saut d‟indice du site i au site j se produit avec un taux
par l‟occupation
. L'état du système est décrit
de tous les sites. La probabilité P({η})pour que le système est dans l'état
{η} = (η1, η2, …) évolue selon une équation maitresse[ 9] :
P 
   vi  ji 1   j P , t    v j  ii 1  i P  i  j , t 
t
i, j
j i
i, j
j i
Où
(III.19)
est l'état où les occupations des sites i et j sont permuté. Le signe négatif indique des
porteurs de charge partant du site i tandis que le signe positif montre l'arrivée des porteurs de
charge sur le site i. Le nombre d'états possibles est très grand dans des vrais systèmes, ainsi la
solution exacte d'une telle équation est au-delà de notre extension.
Si nous négligeons des corrélations des probabilités occupées, P({η})peut être factorisé et
écrit comme suite P   P1 P2 P3 ...
C'est l'approximation de zone moyenne. Néanmoins maintenant conditionner que deux
porteurs de charge ne peuvent pas occuper le même site en même temps (cette condition est
équivalente à la répulsion électrostatique quand la dégénérescence due à la rotation est
négligée), et l'équation précédente est simplifiée :
Pi

t
v
j i
P t 1  Pj t  
i j i
Où Pi(t) est la probabilité d‟occupation du site i.
42
v
j i
j i
Pj t 1  Pi t 
(III.20)
Chapitre III
Transport de charges
III. 2.2 Percolation
La probabilité de saut entre un site i et j (voir figure.III.5) peut être formulée par [10] :
 ij   0 f (Ci ) exp( 
Ci  C j
K BT
) exp( 
2 Rij
a
)
(III.21)
où
 0 :est une constante représentant le couplage charge-phonon et la densité d‟états des
phonons ou la fréquence de vibration de phonons.
f est la fonction de Fermi
Rij est la distance entre les sites
Ci, Cj sont les énergies des sites i et j
a est la taille de l‟état localisé
KB est la constante de Boltzman .
Le courant entre les deux sites i et j est donné par la relation [11] :

C j  Ci  qE cosRij
J ij   exp 2aRij 
2 K BT

1

  j  i  
 Ci  i 
 C j   j 






  sinh
cosh 2 K T  cosh 2 K T 

B
B
 2 K BT 




(III.22)
Avec
E est le champ électrique existant
 i et  j sont les potentiels chimiques des sites i et j respectivement.
 est l‟angle de rotation entre E et Rij
Figure III.5Chemin de percolation dans un semi-conducteur organique .
Le terme percolation qui est définie comme l‟imprégnation progressive du sol par
l‟eau de pluit
(du latin "percolare", couler à travers) a été introduit en 1957 par les
mathématiciens Broadbent et Hammersley[11]qui étudiaient le problème du passage d'un
43
Chapitre III
Transport de charges
fluide dans un filtre partiellement obstrué. Ces auteurs ont donné un cadre mathématique et
rigoureux au phénomène de la percolation dont le concept avait déjà été abordé par les
chimistes Flory et Stockmayer[11]qui s'intéressaient aux réactions de polymérisation
réticulaire tridimensionnelle de chaînes polymères.
Il y a deux modèles de percolation qui revêtent une importance particulière dans la
littérature, il s'agit du modèle de Skal-Shklovskii – De Gennes (SSDG) et une généralisation
de celui-ci, le modèle « Nodes, Links, Blobs » (NLB) [12].
III. 2.3Modèle de L.Li.G.Meller and H.Kosina
Notre modèle part d‟une densité d‟état qui a une forme exponentielle :
g(E) 
Nt
E
exp(
)
K B T0
K BT
( E  0)
(III.23)
avec
Nt le nombre des états par unité de volume et T0 un paramètre qui indique la largeur de la
distribution exponentielle.
L‟énergie de Fermi EF peut être calculée par l‟équation (III.24):
  exp(
EF
)(1  T T0 )(1  T T0 )
K BT
(III.24)
où
 est la fraction des sites occupés et  est la fonction qui assume une valeur proche de 1
dans le rang 0.5-1.5 [13].
Un nombre critique Bc décrivent le début de la percolation est définie par :
Bc 
Nb
Ns
Tel que
Bc=2.8 d‟après [15] pour un système amorphe tridimensionnel
44
(III.25)
Chapitre III
Transport de charges
Nb et Ns sont respectivement la densité des liens et la densité des sites dans ce système de
percolation et peuvent être calculés par [14] :
Nb   dRij dCi dC j g (Ci ) g (C j ) (Sc  Sij )
(III.26)
N s   dEg( E) (S c K BT  E  EF )
(III.27)
J  J 0 e  Sc
(III.28)
Où
S c est un paramètre qui décrit le courant dans le système.
En remplaçant les équations (III.26) et (III.27) dans (III.25) nous obtenons un critère de
percolation pour un système organique de telle sorte :
Bc  N t
K BT  T0 
 E  S c K BT 
n
  exp F
2qE  T 
K B T0


3
(III.29)
Ceci rapporte l‟expression de la densité du courant de percolation de la manière suivante :
T0 / T
K TNt  T0 3

n
J  J0  B
 

 2qEBc  T  (1  T T0 )(1  T T0 ) 
(III.30)
avec
2


qE 
qE 
   2a 

n   2a 
K BT 
K B T 


2
L‟équation (III.30) est obtenue en supposant que :
- les positions des sites sont aléatoires,
-la barrière d‟énergie pour le saut critique est large,
45
(III.31)
Chapitre III
Transport de charges
-la concentration de porteur de charge est très basse.
En utilisant l‟expression (III.30) d‟après L.Li.G.Meller et H.Kosina [15], et en
utilisant un programme sur Matlab la densité de courant de percolation J en fonction de
l‟inverse de la température est illustrée sur la figure III.6.
-3
7
x 10
6
J (A/cm2)
5
4
3
2
1
0
1.17
1.18
1.19
1.2
1.21
1.22
1.23
1.24
1/T (K -1)
1.25
-3
x 10
Figure III.6 Le courant de percolation en fonction de l‟inverse de la température avec E=100 V/cm
-3
8
x 10
7
6
J(A/cm2)
5
4
3
2
1
0
880
900
920
940
E(V/cm)
960
980
1000
Figure III.7 Variation du courant de percolation en fonction du champ électrique
46
Chapitre III
Transport de charges
La variation du courant en fonction du champ électrique est illustrée sur la figure III.7
avec les paramètres suivants : T=20K, T0=800K, a=1.108/m. Il est claire que le courant tend
vers zéro pour les champs électriques les plus bas et augmente en prenant une forme
exponentielle pour les champs forts.
En rassemblant l‟équation (III.26) et l‟équation (III.30) avec celle de Poisson :
 0  r dE ( x)
q
dx
 N t ( x )
(III.32)
Par conséquent, nous obtenons le courant dans la couche organique donnée par :
 1  log(m  v)  log( m  v)  
J  K  
 q  
m2

L
T0 / T
(III.33)
d‟où  (x) est la concentration du porteur à la position x, v la différence de potentiel appliqué,
et L l‟épaisseur de la couche organique [15].
Avec
 K T   T  3  q   2

K  J 0  B 0 r  0  
 2qBc  T   K B T 



T0
T
(III.34)
et
m
2aK B T
q
(III.35)
47
Chapitre III
Transport de charges
Conclusion
Ce chapitre avait comme objectif le calcul du champ électrique dans un dispositif
photovoltaïque en passant par quelques notions de bases, puis la modélisation du dispositif
par une méthode très récente qui est la méthode de transfert de matrice, la dérivation de
différents quantités optiques (énergie dissipé, taux de génération et de recombinaison , et la
probabilité de dissociation ).
Nous avons donné aussi une définition et une description du transport de charge par le saut
d‟indice, et nous avons donné l‟équation maitresse qui gère ce type de transport sans donner
les détails de résolutions de cette équation (intervention d‟une Monté Carlo) ce qui n‟est pas
le but de cette thèse.
Enfin l‟étude des mécanismes de transport dans les matériaux organiques en s‟appuyant sur
une théorie très récente dans la physique des polymères, qui est la théorie de percolation.
Pour ce fait, il est utile d‟étudier la variation de la densité du courant en fonction du champ
électrique et de la température afin d‟avoir une idée globale sur la cinétique des phénomènes
de transport dans les matériaux organiques.
48
Chapitre III
Transport de charges
References
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[11]Van Hapert,J.J.:PhD.thesis,Université Utrech,Hollande,2002
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[13] C.Sturm,W, Wilson, M Iodice, IEEE J.Selec. Topics quantum electron. 4, 75 (1998)
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[15] L.Li.G.Meller and H.Kosina, Percolation current in organic semiconductors, Journal of
Computational ElectronicsVolume 6, Numbers 1-3 / septembre 2007
49
CHAPITRE IV
Résultats de la simulation
numérique
Chapitre IV
Simulation numérique
CHAPITRE IV
RESULTATS DE LA SIMULATION NUMERIQUE
CELLULES PHOTOVOLTAIQUE ORGANIQUES
DES
Introduction
Pour former un exciton, le photon doit être absorbé par la couche active. Les photons
présents à la surface terrestre possédant principalement une longueur d‟onde comprise entre
400 et 1000 nm, une conversion photovoltaïque efficace se doit d‟absorber fortement sur
cette plage de longueurs d‟ondes. A l‟interface, l‟exciton formé doit rencontrer des matériaux
donneurs et accepteurs avec des niveaux d‟énergie ajustés afin de se dissocier en charges (un
électron et un trou) sous l‟effet du champ électrique interne de la jonction entre le donneur et
l‟accepteur (jonction p-n). Dans ce chapitre nous présenterons les résultats de simulations
des propriétés électro-optiques des cellules solaires à base de MDMO-PPV:PCBM, MEHPPV:PCBM et P3HT:PCBM.
IV.1 Cellule solaires organiques à base de matériau actif MDMO-PPV : PCBM
IV.1.1.Description élaboration et caractérisation
Dans le but de modéliser les cellules solaires organiques, cette partie se porte sur une
exploitation des données expérimentales relatives à des cellules solaires organiques à
hétérojonctions en volume en réseaux interpénétrés élaborées au centre de Recherche des
polymères microélectroniques (Belgique) par Monsieur T.Aernouts et son groupe de
recherche. Notre étude est limitée à l‟effet de l‟insertion d‟une couche poly (3,4ethylenedioxythiophene)/poly(styrenesulfonate) PEDOT/PSS sur les performances d‟une
cellule organique de type donneur-accepteur-hétérojonction.
51
Chapitre IV
Simulation numérique
Figure IV.1 : Cellule solaire d'hétérojonction en volume donneur-accepteur, aussi avec la structure
chimique des différents matériaux organiques employés[1].
Les cellules solaires organiques qu‟on va étudier sont des cellules à base d‟un
matériau
actif
de
poly(2-methoxy-5-(3‟,7‟-dimethyloctyloxy)-1,4-phenylene-vinylene)
(MDMO-PPV) et (6,6)- phenyl-C61-butyric acidmethyl ester (PCBM) serré entre une
électrode d‟ITO (Indium Tin Oxide ) transparente et un contact arrière en Aluminium. Une
comparaison est faite entre les cellules avec ou sans une couche interfaciale supplémentaire
de poly (3,4-ethylenedioxythiophene)/poly(styrenesulfonate) (PEDOT/PSS) sur électrode
d'ITO[1].
En outre, on va étudier l'effet de l'épaisseur de la couche active sur le comportement
photovoltaïque de ces dispositifs. L‟un des facteurs limitant l'efficacité de la cellule tels que
le champ électrique peut également jouer un rôle important dans les cellules solaires
organiques. Dans cette contribution, nous examinerons l'effet d'une couche supplémentaire
PEDOT/PSS, entre le matériau actif et l‟électrode transparente, sur le taux de génération et la
réflectivité dans les dispositifs photovoltaïques. L'utilisation d'une couche supplémentaire est
répandue dans le développement des diodes luminescentes en polymère (PLEDs ) (par
exemple )[2] pour empêcher la diffusion des atomes métalliques venant de l‟électrode d‟ITO
dans la couche active .
52
Chapitre IV
Simulation numérique
Les cellules photovoltaïques envisagées dans notre cas sont fabriquées sous forme
d‟une structure en sandwich composé d'un film du polymère conjugué en spin-coating sur
une électrode avec une deuxième électrode évaporée sur la face frontale. Les mélanges de
MDMO-PPV/PCBM sont déposés à la tournette d'une solution chlorobenzène sur le verre
d‟ITO. Après qu‟une électrode d‟Al a été évaporée sur la face frontale au moyen d‟un
masque. Les dispositifs sont mis dans une atmosphère inerte d'azote. Les caractéristiques JV
ont été relevées par un simulateur de typeHP4145B. Dans ces circonstances l'illumination est
fournie sous l'illumination solaire simulée(spectre AM1.5, 100 mW /cm 2). Les dispositifs
avec une couche supplémentaire d‟épaisseur de 140-nm PEDOT /PSS, déposer sur ITO avant
de déposer la couche active, ont été également fabriqués.
La variation de l‟épaisseur de la couche active s‟établit en variant la vitesse de rotation
pendant le dépôt du mélange organique pour les différentes cellules. La mesure de l'épaisseur
de la couche active est assurée comme étape finale par l‟utilisation d'un profilomètre de
Dektak[3].
IV.1.1.Etude de la réflectivité
Selon la méthode matricielle décrite au chapitre III nous pouvons calculer la
réflectivité R de notre dispositif multicouche et nous comparons ce paramètre à cela édité
par[ 4 ] :
I Glass  ITO  I 0 (1  RAir  Glass )e ah
R
I Glass  ITO RAir  Glass e 2 ah
(IV.1)
Avec I0 est l'irradiance incidente ; IGlass-ITO est l'intensité de la lumière dans le verre ;
RAir-Glass est la réflectivité de l'interface air-verre ; a est le coefficient d'absorption du verre ;
h est l'épaisseur du verre.
53
Chapitre IV
Simulation numérique
Figure IV.2. Réflectivité du dispositif en fonction de l‟angle d‟incidence
Figure IV.3. Réflectivité du dispositif en fonction de l'épaisseur de couche active. En trait plein
(impédance globale du système).Triangles (modèle édité par H. Hoppe et al.[4])
Figure.IV.2 illustre la dépendance de l'angle d'incidence pour la réflectivité du
système de dispositif détaillé dans la figue IV.1, ce paramètre est réduit au minimum sur la
gamme (5π/12 -7π/12 en radian) à 400 nm de l'épaisseur de la couche active. La réflectivité
est calculée à partir de l'impédance efficace de l'entrée du dispositif et comparée à celle
54
Chapitre IV
Simulation numérique
publié par H. Hoppe et al.(Figure.IV.2), ainsi il est clair qu'il soit en bon accord avec ce
modèle.
IV.1.2 Effet de la couche PEDOT:PSS et de l’épaisseur de la couche active sur le
champ électrique
Les données dans la figure IV. 4(a)(b)(c)(d) montre les performances des cellules
solaires organiques à base de MDMO-PPV :PCBM en fonction de l‟épaisseur de la couche
active avec l‟ensemble de données résumé dans le tableau 1. Le PEDOT:PSS est le matériau
le plus utilisé comme couche transporteuse de trou dans les cellules solaires organique, il
existe plusieurs travaux relative à l„optimisation de cette couche[5] comme on va voir dans le
cas des cellules solaires à base de MEH-PPV :PCBM. Les dispositifs avec PEDOT:PSS dont
les épaisseurs de la couche active varie entre 140, 190, 210 et 420 nm présente un maximum
d‟amplitude de champ électrique normalisé dans la couche active en MDMO-PPV :PCBM
associé à la longueur d‟onde 650 nm que le matériau active présente un maximum
d‟absorption d‟après[6].
55
Chapitre IV
Simulation numérique
3
ITO
MDMO-PPV/PCBM
PEDOT:PSS
Al
(Electric field)2 (V/cm)
2.5
2
1.5
1
0.5
0
0
0.5
1
1.5
2
Distance from the ITO (nm)
2.5
3
3.5
4
-7
x 10
Figure IV. 4(a) Maximum du champ électrique E2=2.61 dans la couche active(140 nm)
1.8
ITO
PEDOT:PSS
1.6
MDMO-PPV/PCBM
Al
(Electric field)2 (V/cm)
1.4
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0
0.5
1
1.5
2
2.5
Distance from the ITO (nm)
3
3.5
4
4.5
-7
x 10
Figure IV. 4 (b) Maximum du champ électrique E2=1.76 dans la couche active(190 nm)
56
Chapitre IV
Simulation numérique
1.4
ITO
MDMO-PPV/PCBM
PEDOT:PSS
Al
1.2
(Electric field)2 (V/cm)
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0
0.5
1
1.5
2
Distance from the ITO (nm)
2.5
3
3.5
4
-7
x 10
Figure IV. 4 (c)Maximum du champ électrique E2=1.22 dans la couche active(210 nm)
0.9
ITO
PEDOT:PSS
0.8
Al
MDMO-PPV/PCBM
(Electric field)2 (V/cm)
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0
1
2
3
Distance from the ITO (nm)
4
5
6
-7
x 10
Figure IV. 4 (d)Maximum du champ électrique E2=0.58 dans la couche active(420 nm)
IV.1.3Effet de l’épaisseur de la couche active sur le champ électrique sans couche
PEDOT:PSS
Pour les cellules solaires sans couches protectrices nous avons trouvé que le champ électrique
est optimal pour la couche active d‟épaisseur 210 nm, et une densité de courant de court
circuit minimal de 0.258 mA/cm2
est enregistré pour ce prototype. Les meilleures
performances de ces prototypes sont trouvées pour les champs électriques les plus élevés
(comme montré dans les figures IV.5 (a)(b)(c)(d) et le tableau IV.1).
57
Chapitre IV
Simulation numérique
Une division du module carré du champ électrique sur le facteur de forme nous permet aussi
de déterminer une constante moyenne de 2.51 pour les cellules solaires sans couche
supplémentaire.
1.8
1.6
(Electric field)2 (V/cm)
1.4
1.2
MDMO-PPV:PCBM
ITO
Al
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0
0.5
1
1.5
2
Distance from the ITO (nm)
2.5
3
3.5
-7
x 10
Figure IV. 5(a) Maximum du champ électrique E2=1.58 dans la couche active(210 nm)
1.6
1.4
(Electric field)2 (V/cm)
1.2
Al
MDMO-PPV:PCBM
ITO
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0
0.5
1
1.5
2
Distance from the ITO (nm)
2.5
3
3.5
-7
x 10
Figure IV. 5(b) Maximum du champ électrique E2=1.42 dans la couche active(220 nm)
58
Chapitre IV
Simulation numérique
1.4
1.2
MDMO-PPV:PCBM
(Electric field)2 (V/cm)
1
Al
ITO
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0
0.5
1
1.5
2
2.5
Distance from the ITO (nm)
3
3.5
4
4.5
-7
x 10
Figure IV. 5 (c)Maximum du champ électrique E2=1.24 dans la couche active(310 nm)
1.4
1.2
MDMO-PPV:PCBM
(Electric field)2 (V/cm)
1
Al
ITO
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
Distance from the ITO (nm)
3.5
4
4.5
5
-7
x 10
Figure IV. 5 (d)Maximum du champ électrique E2=1.02 dans la couche active(370 nm)
59
Chapitre IV
Simulation numérique
Tableau IV.1 Ensemble des caractéristiques électro-optiques trouvées pour les cellules solaires
étudiés.
Jcc(μA/cm2)
Vco(V)
FF(%)
E2
246.31
0.79
0.48
2.61
190 nm
244.58
0.79
0.49
1.76
210 nm
228.78
0.78
0.56
1.22
420 nm
301.39
0.78
0.41
0.58
210 nm sans
258.44
0.77
0.55
1.58
220 nm
255.75
0.78
0.55
1.42
310 nm
313.52
0.77
0.51
1.24
370 nm
331.05
0.77
0.47
1.02
Epaisseur de la
couche active
140 nm avec
PEDOT :PSS
PEDOT :PSS
6
avec couche PEDOT:PSS
sans couche PEDOT:PSS
5
3
2
E /FF
4
2
1
0
100
150
200
250
300
350
400
450
Epaisseur de la couche active (nm)
Figure IV. 6 Division du champ électrique sur le facteur de forme pour les huit prototypes de cellules
solaires avec et sans couche PEDOT:PSS
60
Chapitre IV
Simulation numérique
IV.2Cellule solaires organiques à base de matériau actif MEH-PPV : PCBM
IV.2.1 Modèle expérimentale utilisé
Cette cellule solaire en polymère était fabriquée avec une couche active imprimée par
écran et un mélange de donneur/accepteur basé sur une solution de 1% MEH-PPV avec
addition de PCBM dont le rapport de poids est de 1:4. L'impression de cette solution a été
faite avec une machine manuelle.
Au début, des dispositifs ont été assemblés sur les substrats de verre d'ITO qui a été réalisé
selon le procédé standard d'UV-Photolithographie. Avant d'imprimer la solution de polymère,
une couche mince de PEDOT:PSS était déposé par rotation sur les substrats. Pour mener la
structure de dispositif, un contact métallique d‟arrière en LiF/Al a été évaporé dans le vide
élevé par un masque d'ombre. Le dispositif a été pris hors de la boîte d'azote pour le mesurer
sous l'illumination solaire simulée (spectre AM1.5, 100 mW/cm2). L'épaisseur de la couche
active a été mesurée comme étape finale en utilisant un profilomètre de Dektak [8].
61
Chapitre IV
Simulation numérique
Figure IV.7 Partie expérimentale de la cellule solaire hétérojonction en volume, avec la structure
moléculaire pour les deux matériaux formant l'hétérojonction dans la couche active[8].
IV.2.2 Influence des propriétés optiques sur les paramètres électriques
Le deuxième modèle de V.V Filippov [9] que nous pouvons nous référer pour comparer nos
résultats de modélisation et de simulation décrive le champ électrique comme :
E
e i x  Ram e i 2 a  x 
1  Ra1 Ram e 2i a
(IV.2)
Là où
 x  k 0 N a x  a  k 0 N a ha
;
Ra1 ,
Ram
sont les amplitudes du coefficient de réflexion pour l'ensemble des couches,
allons de α, α -1,.....,1 et de α, α +1,....,m ;k0 = 2π/ λ0 est le vecteur d‟onde dans le vide.
62
Chapitre IV
Simulation numérique
Utilisant le dispositif illustré dans la Figure IV.7 nous avons comparé les deux modèles
optiques décrits avant, et nous avons remarqué qu'il y a un point équivalent du champ
électrique à l'intérieur du dispositif à chaque longueur d'onde (voir Figure IV.8).
Les polymères de bas-gap sont définis comme des polymères absorbant la lumière avec
des longueurs d'onde au-dessus de 600 nm. Les polymères traditionnels utilisés dans les
photovoltaïques organiques, tel que le MEH-PPV, ont une absorption qui se prolongent aux
longueurs d'onde de 550 nm[10]. Nous avons fait un balayage au spectre 400-800 nm (Figure
IV.9) et nous avons trouvé les deux cas suivants :
(1) - L‟épaisseur optimisée de la couche active est de 50 nm et un maximum à la
longueur d'onde 560 nm est enregistré.
(2) - Une instabilité de l'épaisseur de la couche active et du champ électrique est
remarquée à la longueur d'onde en-dessous de 550 nm et l'augmentation de champ électrique
est rapide quand la longueur d'onde atteint 550 nm.
La figue IV.10 représente l'augmentation de l'efficacité quantique en fonction du champ
électrique dans la couche active, la figure IV.11 représente l'augmentation du taux de
génération contre l'efficacité quantique, la figure IV.12 montre une relation linéaire entre le
taux de génération et le champ électrique et la figure IV.13 une minimisation du taux de
recombinaison en fonction du champ électrique.
8
x 10
5
O.Inganas model
V.V Philippov model
Electric field (V/cm)
7
6
5
4
Equivalent point at
landa=800 nm
3
2
0
1
2
3
4
Active layer thickness (nm)
5
6
7
x 10
-8
Figure.IV.8 Point équivalent du champ électrique entre le modèle de Filippov et Inganas dans la
couche active
63
Chapitre IV
Simulation numérique
Electric field (red circles)
A.L.T from PDOT/PSS layer (black squares)
65
60
55
50
45
40
35
30
25
20
15
10
Active layer thickness (nm)
2
4
E eq .10
5
0
400
500
600
700
800
Wavelenght (nm)
Figure.IV.9 Le champ électrique et l‟épaisseur de la couche active en fonction de la longueur d‟onde
pour le spectre 400-800 nm
0.4
0.35
Quantum effiency
0.3
0.25
0.2
0.15
0.1
0.05
0
0
2
4
6
Electric field (V/m)
8
10
12
x 10
5
Figure.IV.10 Efficacité quantique de la cellule solaire étudiée après optimisation en fonction du
champ électrique
64
Chapitre IV
Simulation numérique
8
x 10
5
7
Generation rate
6
5
4
3
2
1
0
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0.4
Quauntum effiency
Figure.IV.11 Taux de génération en fonction de l‟efficacité quantique
8
x 10
5
7
Generation rate
6
5
4
3
2
1
0
0
2
4
6
Electric field (V/m)
8
10
12
x 10
5
Figure.IV.12 Relation entre le taux de génération et le champ électrique
65
Chapitre IV
Simulation numérique
10
x 10
20
Recombination rate
9
8
7
6
5
4
4
5
6
7
8
9
Electric field (V/cm)
10
11
x 10
5
Figure.IV.13 Le taux de recombinaison en fonction du champ électrique
IV.2.3Contribution à l’électrode polymère en PEDOT :PSS
L'électrode d'ITO fournit beaucoup d'avantages dans la fabrication des cellules
solaires en polymère, sa fragilité et son coefficient de dilatation thermique limitent sa
flexibilité et sa stabilité thermique sur un substrat en polymère, et ils sont responsable de la
faible compatibilité interfaciale entre les matériaux organiques et la surface d'ITO, comme
son prix cher est l'un des problèmes principaux [11]. Le PEDOT:PSS montre une
transparence optique significative à la lumière visible, et sa conductivité peut être améliorée
par l'ajout du polyalcool ou des dissolvants hautement diélectriques pour être une future
anode en polymère [12].
Nous pouvant appliquer le modèle décrit au chapitre III à la cellule solaire organique
composée de Verre / ITO / (PEDOT-PSS)/ (MEH-PPV:PCBM)/(Ca, Al, Ag) décrite
précédemment. L'épaisseur de l'anode d'ITO est de d=140 nm, la couche PEDOT/PSS à
également une épaisseur de 140 nm, le contact arrière a généralement une épaisseur de 30
nm, on assume que ce dernier matériau est variable et réfléchissant dans nos simulations,
avec les différents épaisseurs de la couche active. Et puis nous remplaçons l'anode d'ITO par
le PEDOT:PSS.
66
Chapitre IV
Simulation numérique
Les schémas IV.14 et IV.15 illustrent le profil du champ électrique dans chaque couche
du dispositif photovoltaïque selon l'épaisseur de la couche active. Premièrement, nous avons
choisi les cellules solaires à hétérojonction en volume parce qu‟ils représentent les dispositifs
efficaces les plus récents. Nous avons prouvé par des simulations numériques que l'utilisation
des matériaux argentés augmente le champ électrique sur la couche active près de l'électrode
métallique.
Pour le schéma IV.14 la couche protectrice en PEDOT/PSS affecte clairement
l'énergie lumineuse transmise dans la couche active quand cette énergie est diminuée pour les
couches actives les plus minces parce qu'il y a une grande région de réflexions à la contreélectrode en Ag. La nouvelle anode en PEDOT:PSS remplaçant l'électrode d'ITO peut
substituer ce dernier matériau mais pour une épaisseur plus mince c.-à-d. ;en réduisant
environ 30% de grandeur, et en utilisant un angle d'incidence de 45°.
Figure. IV.14 Le carré du champ électrique dans la couche active de la cellule solaire composée de
Glass/ITO/PEDOT:PSS/MEH-PPV:PCBM/métal(Ca, Al, Ag)
67
Chapitre IV
Simulation numérique
.
Figure. IV.15 La cellule solaire composée de Glass/ITO/PEDOT:PSS/MEH-PPV:PCBM/Ag
: (A) avec, (B) sans couche protectrice en PEDOT:PSS sur l'électrode d'ITO, (C) avec la nouvelle
anode.
Des résultats trouvés ici, il est clair que les cellules solaires à base de MEHPPV/PCBM en tant que couche active ont une distribution très élevée du champ électrique
avec les électrodes argentées, l‟aluminium est le deuxième matériau d'optimisation et le
calcium est une matière faible à employé en tant qu'électrode métallique.L'électrode
transparente en polymère peut être utilisée dans la fabrication des cellules solaires organiques
de très bas couts avec des améliorations de la conductivité qui sont nécessaires.
IV.3 Cellule solaires organiques à base de matériau actif P3HT : PCBM
IV.3.1 Modèle expérimentale utilisé
On peut appliquer le modèle décrit précédemment à la cellule solaire
organique[13](Figure IV.16) composé de Verre/ITO/(PEDOT:PSS)/(P3HT:PCBM/(Ca, Al,
Ag). L'épaisseur de l'anode d'ITO est supposée d=140nm, la couche PEDOT/PSS à également
une épaisseur de 140 nm, le contact arrière en(Ca, Al, Ag).a généralement une épaisseur de
30 nm, on assume que ces derniers matériaux sont réfléchissant dans nos simulations, qui est
la condition de limite la plus dominante avec les différents épaisseurs de la couche active.
68
Chapitre IV
Simulation numérique
Figure. IV.16 Schéma de la cellule solaire organique étudiée.
Le Bathocuproine ou 2,9-Dimethyl-4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline (BCP) est
employé comme couche de passivation pour empêcher les excitons produits dans la couche
active d'être éteintes(quenching) à l'interface couche organique/métal, et pour protéger la
couche donneur/accepteur pendant le dépôt en métal. Les constantes optiques de l'ITO,
PEDOT-PSS et de BCP ont été obtenues à partir de [ 14 ], les constantes optiques de
P3HT/PCBM, ont été obtenues à partir de[ 13 ], et de Ca, Al, Ag étaient obtenues de[15].
IV.3.2 Résultats de simulation
Les schémas IV.17 et IV.18 illustrent le profil du champ électrique dans chaque couche
du dispositif photovoltaïque selon l'épaisseur de la couche active, alors nous avons prouvé
par des simulations numériques comme le cas du MEH-PPV:PCBM que l'utilisation des
matériaux en argent comme contre-électrode améliore le champ électrique dans la couche
active.
La couche protectrice en PEDOT/PSS affecte clairement l'énergie lumineuse transmise dans
la couche active quand cette énergie est diminuée pour les couches actives les plus minces
parce qu'il y a une grande région de réflexions à la contre-électrode en Al et en Ag, tandis que
69
Chapitre IV
Simulation numérique
l'utilisation d'une couche en BCP comme couche transporteuse de trou améliore et augmente
la distribution du champ électrique sur la région active.
Le taux de dissociation d'une paire de charge géminée est recherché pour être un paramètre
principal déterminant la performance de dispositif. Le schéma IV.19 illustre la
proportionnalité entre ce dernier paramètre et la distribution de champ électrique à l'intérieur
des dispositifs.
Glass/ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/Electrode
1,2
Ag
Al
Ca
1,0
0,6
E
2
0,8
0,4
0,2
0,0
0
100
200
300
400
X (nm)
Figure. IV.17 Champ électrique dans la couche active en P3HT/PCBM d'une cellule solaire
organique avec différents matériaux d'électrode en Ag, Al et Ca.
1,2
Without PEDOT and without BCP
With PEDOT and without BCP
Without PEDOT and whith BCP
With PEDOT and whith BCP
1,0
Normalised E
2
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
0
100
200
300
400
X (nm)
Figure. IV.18 Champ électrique dans la couche active en P3HT/PCBM d'une cellule solaire
organique avec et sans couches protectrices, Buffer et électrode métallique en argent.
70
Chapitre IV
Simulation numérique
7
6.5
-31
Kdiss (*10 )
6
5.5
5
4.5
4
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
Normalised electric field (V/m)
Figure. IV.19 Taux de dissociation dans la présence d‟un champ électrique donné par la théorie
d‟Onsager.
Conclusion
La simulation illustre clairement que le champ électrique affecte fortement les
caractéristiques électro-optiques des dispositifs étudiés.
Pour le MDMO-PPV l‟étude été étendue sur plusieurs prototypes et deux modèles utilisant
la distribution et l‟optimisation du champ électrique dans la couche active. Dans cette partie
nous avons met l‟accent sur le net sur l‟effet de la couche protectrice en PEDOT:PSS et son
rôle avantagieux et non avantagieux dans le sens d‟exprimer les performances
photovoltaïques des dispositifs, ainsi que la prédiction de l‟apport champ électrique/facteur
de forme dans l‟optimisation de ce type de dispositifs.
Pour le MEH-PPV nous avons prouvé que le dispositif étudié peut être décrit par le modèle
unifié démontrant les effets de l'épaisseur de la couche active et de la longueur d'onde du
rayonnement incident sur l'exécution photovoltaïque. Une méthodologie pour extraire des
paramètres optiques et électriques pour les deux modèles (Filippov et Inganas) a été décrite et
illustré par des résultats de simulation.
71
Chapitre IV
Simulation numérique
Pour le P3HT, les performances des dispositifs solaires organiques avec et sans
couches PEDOT-PSS, et BCP comme couches protectrices et bloquantes respectivement et
les différents matériaux (Aluminium, Argent, Calcium) en tant que contacts arrière ont été
étudiés et comparés par le modèle optique. Nous avons présenté dans cette partie les résultats
de modélisation et de simulation numérique qui décrivent l'évolution des champs
magnétiques et électriques dans les cellules solaires à hétérojonction en volume, aussi bien
que l'optimisation de la distribution de champ électrique, selon l'épaisseur de la couche
active.
A partir des résultats rapportés ici, et pour la 1ère partie il est clair que les cellules
solaires en P3HT/PCBM en tant que couche active ont présentées une distribution de champ
électrique élevé avec les électrodes argentées, et l‟aluminium est un deuxième matériau
d'optimisation et le calcium est un matériau faiblement employé comme électrode métallique.
Pour la 2eme partie il est clair également que les cellules solaires sans couche
protectrice en PEDOT/PSS et avec la couche BCP ont présentées une distribution optimale
du champ électrique, les cellules solaires sans couche protectrice et sans couches BCP ont
pris la deuxième place, les cellules solaires avec couche protectrice et sans couches BCP ont
pris la troisième place et finalement les cellules solaires avec des couches protectrices et de
BCP ont pris le dernier classement.
A partir des résultats rapportés ici, il est clair que le modèle optique utilisé décrit
uniformément le champ électrique dans les cellules solaires organiques, ce modèle nous a
permis de dériver plusieurs paramètres électro-optiques tel que le taux de génération, le taux
de dissociation des excitons, le taux de recombinaison et l‟efficacité quantique.
En
perspectives nous voudrions vérifier d'autres modèles et d‟autres types de cellules
solaires pour avoir une étude très concrète et quantitative.
72
Chapitre IV
Simulation numérique
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Chapitre IV
Simulation numérique
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74
CHAPITRE V
Les cellules
photovoltaïques tandem
Chapitre V
Les cellules solaires tandem
CHAPITRE V
LES CELLULES PHOTOVOLTAIQUES TANDEM
Introduction
Une étude comparative entre deux méthodes pour décrire les paramètres
photovoltaïques par le modèle à une et à deux diodes est présentée. Ces paramètres sont
habituellement le courant de saturation, la résistance série, la résistance shunt, le facteur
d'idéalité, et le photocourant. On constate que l'influence de la distribution de la résistance
série sur les caractéristiques électriques peut être décrite numériquement par l'application des
deux modèles aux cellules solaires organiques tandem. Une description du courant de courtcircuit, tension de circuit ouvert, facteur de forme et efficacité sur les dispositifs sont
identifiées par la résistance série, l‟énergie de gap, le facteur de qualité et la température.
Cette approche nous a permis d'obtenir un ensemble de paramètres qui est raisonnable et
représentatif du service pour le système physique qui prédit une conception optimale.
V. 1 Rappels théoriques
Ce travail montrera une vue détaillée sur la dégradation du facteur de forme et de
l'efficacité des cellules solaires tandem. La plupart de la littérature des cellules solaires
organiques se concentre sur l‟amélioration de l'efficacité et l‟exploitation des principes
fondamentaux des matériaux relatifs. Seulement quelques publications ont rendu compte sur
l‟étude du modèle à deux diodes et ont montré des paramètres convenables et détaillés, et la
plupart d'entre eux sont concentrés sur l'hétérojonction en volume et le silicium [4-5].
Les deux pertes principales qui se produisent dans les cellules solaires sont la
transmission secondaire du gap et la thermalisation des porteurs de charges libres. A sens
unique et pour éviter les deux effets simultanément il est nécessaire de réaliser des cellules
solaires tandem. En effet, un empilement de sous cellules connectés en série à été montrés sur
le schéma V.1 pour mettre en évidence l'efficacité théorique au delà de la limite de ShockleyQueisser :Tandis que l'efficacité maximum d'une cellule solaire monocouche sous lumière
non-concentrée du soleil est calculée pour être environ 30%, une élévation de cette valeur à
76
Chapitre V
Les cellules solaires tandem
42% pour une cellule tandem qui se compose de deux sous-cellules avec des gaps de 1.9 et
1.0 eV, respectivement, et 49% pour une cellule tandem qui se compose de trois sous-cellules
avec des gaps de 2.3, 1.4, et 0.8 eV, respectivement.[6 ]
Figure V.1. Croquis de la cellule solaire tandem pliée réalisée par Tvingstedt et al [6]
En conséquence, ce chapitre vise à étudier la différence entre les modèles d‟une et deux
diodes
dans
la
nomenclature
organique
tandem
des
cellules
solaires
P3HT:PC71BM/PCPDTBT:PC71BM pour différents températures, résistances série, facteurs
de qualités et énergies de gap.
V.1-a Modèle à une seule diode
L‟équation courant –tension gérant la puissance extraite de la cellule en utilisant ce premier
modèle est:
*
(
)
+
(V.1)
Pour extraire les paramètres photovoltaïques à partir de cette équation implicite nous
procédant comme suit :
Quant V=0 alors le courant I=ICC
77
Chapitre V
Les cellules solaires tandem
[
(
)
]
Avec
(
(
)
(
))
La puissance de la cellule est P=I.V. Pour trouver IM et VM il suffit de trouver PM la
puissance maximale de la cellule. Ceci consiste à maximiser l‟aire du rectangle borné par les
axes de I et V et par la courbe I-V.
Pour les ajustements numériques des résultats expérimentaux, nous nous ramenons à la
méthode des moindres carrés. Les paramètres calculés sont injectés dans un programme
Matlab.
V.1-b Modèle à deux diodes
Pour une intensité lumineuse incidente et une température données l‟équation I-V implicite
est donnée par (4)
*
(
)
+
*
(
)
+
(V.4)
D‟ou n1et n2 sont les facteurs d‟idéalités
Iph est le photocourant; q est la charge électrique; k la constant de Boltzmann,
T la température;
Rs est la résistance série; Rsh est la résistance shunt,
IS1 représente le phénomène de conduction électronique dans la région quasi-neutre de la
jonction, comme la
diffusion, la recombinaison et l‟effet de dérive [10]; IS2
78
la
Chapitre V
Les cellules solaires tandem
recombinaison des porteurs aux niveaux profonds dans la région de charge d‟espace de la
jonction [11].
Pour plus de détails on peut se référer à [12-13]
V. 2 Modèle expérimentale utilisé
Les structures de dispositif à analyser ont été configurées dans un arrangement tandem
en série où les cellules individuelles sont séparées par l'oxyde de titane (TiO X). Ce composé
donne un certain nombre de fonctions comme couche de blocage de trou et transporteur
d'électron, ou comme entretoise optique qui augmente l'efficacité du dispositif en contrôlant
dans l'espace la position de l'irradiance maximale dans la couche active [6].
Figure V.2 Schéma de la structure tandem organique utilisée dans toutes les simulations.
Les épaisseurs de la couche d'oxyde de titane sont fixées à 8nm.
Les épaisseurs de la couche active étaient fixées à :
P3HT:PC71BM (de 132nm) /PCPDTBT:PC71BM(126nm) et
P3HT:PC71BM (de 176nm) /PCPDTBT:PC71BM(259nm)
79
Chapitre V
Les cellules solaires tandem
Pour comprendre l'effet entre les cellules de haut et de bas des cellules solaires tandem
étudiées et leur influence sur l'efficacité de dispositif, nous avons choisi deux valeurs d top et
dbottom le long de la courbe Isc qui ont une efficacité globale de conversion d'énergie de 9.62%
et 8.39% comme indiqué dans FigureV.2 [7]. Pour ces deux épaisseurs différentes, des
caractéristiques I-V de la combinaison entre la cellule supérieure (PCPDTBT:PC 71BM) et la
cellule inférieure (P3HT:PC71BM) est montrées dans la Figure V.2.
V. 3 Résultats et discussion
Les simulations du schéma V.3 montrent comment changent les caractéristiques
courant-tension de la cellule avec les modèles de une et deux diodes à la température 300K.
Ces courbes sont produites des équations (1) et (4) et les paramètres variables, avec Rs, Rsh,
IS1, IS2, n1 et n2 des tableaux V.1 et V.2. Les courbes tracées prouvent que le modèle de
simple-diode fournit une bonne description de la caractéristique I-V du dispositif et que le
deuxième modèle montre clairement que les cellules solaires testées peuvent être décrites
avec plus de précision.
experimental data
1 diode model
2 diodes model
I (mA)
0,00
-0,01
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
Voltage (Volts)
(a)
80
1,0
1,2
Chapitre V
Les cellules solaires tandem
0,000
2 diodes model
1 diode model
experimental data
-0,002
I (mA)
-0,004
-0,006
-0,008
-0,010
-0,012
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
V (volt)
(b)
Figure V.3(a) et V.3 (b) Comparaison entre les deux ajustements de la caractéristique I-V sous
illumination en utilisant d'abord le modèle d'une seule-diode, et puis le modèle de deux-diodes
81
Chapitre V
Les cellules solaires tandem
Tableau V.1. Paramètres utilisés dans les simulations avec le modèle d'une et de deux diodes
Cellule P3HT:PC71BM (de 132nm) /PCPDTBT:PC71BM(126nm)
modèle 1
diode
modèle 2
diodes
Rsh(Ω)
Rs(Ω)
n1
n2
Is1(A)
Is2(A)
Χ2(A2)
1657728698
10
1.75
-
9.73E-8
-
1.05E+3
1000000
9.29
1
2
2.17E-12
1E-5
4.25E+3
TableauV.2. Paramètres utilisés dans les simulations avec le modèle d'une et de deux diodes
Cellule P3HT:PC71BM (de 176nm) /PCPDTBT:PC71BM(259nm)
modèle 1
diode
modèle 2
diodes
Rsh(Ω)
Rs(Ω)
n1
n2
Is1(A)
Is2(A)
Χ2(A2)
1000000
23
2
-
2.17E-12
-
1.05E+3
1000
18.5
1.92
3.6
1E-12
9E-10
4.25E+3
(a1)
0,70
2 diodes model
1 diode model
0,65
0,60
0,55
FF
0,50
0,45
0,40
0,35
0,30
0,25
1
10
Rs (ohm)
82
100
Chapitre V
Les cellules solaires tandem
(b1)
2,5
2 diodes model
1 diode model
2,0
VOC (V)
1,5
1,0
0,5
0,0
1
10
100
Rs (ohm)
(c1)
12
2 diodes model
1 diode model
Efficiency (%)
10
8
6
4
1
10
100
Rs (ohm)
Figure V.4 (a1), (b1), (c1) courbes de FF, VOC et efficacité simulés respectivement en fonction de R S
avec les modèles d‟une seule et deux diodes à la température 300k
et Isc est constant (environ 0.00399 A)
83
Chapitre V
Les cellules solaires tandem
Le schéma V.4 (a1) montre que le facteur de forme est affecté par des variations de R s. La
valeur de Rs (environ 10 Ω.cm2) est un point critique de la cellule solaire tandem étudiée avec
les deux modèles pour commencer un phénomène décroissant et rapide du facteur de forme.
Cependant le modèle à une seule diode donne plus d'optimisation du facteur de forme quand
il est comparé aux modèle à deux diodes pour toutes les valeurs entre 10 et 100 Ω.cm2 de Rs.
Le schéma V.4 (b1) montre que la tension du circuit ouvert est stable avec les deux modèles à
RS moins de 100 Ω.cm2, une diminution de cette dernière avec les petites valeurs moins de 7
Ω.cm2 est enregistrée et une optimisation est trouvée avec les valeurs les plus élevées de R S
(> 100 Ω.cm2). L‟efficacité au schéma V.6 (c1) est optimale pour une valeur nulle de RS et
atteins 10.45% pour le modèle à deux diodes.
(a2)
0,9
2 diodes model
1 diode model
0,8
0,7
FF
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0
20
40
Rs (Ohm)
84
60
80
Chapitre V
Les cellules solaires tandem
(b2)
0,12
2 diodes model
1 diode model
0,10
Efficiency %
0,08
0,06
0,04
0,02
0,00
0
20
40
60
80
Rs (Ohm)
Figure V.4 (a2), (b2) courbes de FF et efficacité de la cellule solaire décrite dans le tableau V.2
simulés respectivement en fonction de RS avec les modèles d‟une seule et deux diodes à la
température 300k et Isc est constant (environ 11.8 mA)
Le schéma V.4(a2)montre que FF est affecté par des variations de RS. Puisque la valeur de
RS(56 Ω.cm2) pour la cellule solaire tandem étudiée avec les deux modèles est un point
critique pour commencer un phénomène croissant linéaire et rapide du facteur de forme.
Cependant le modèle à une seule diode donne plus d'optimisation du facteur de forme quand
il est comparé au modèle à deux diodes pour toutes les valeurs entre 10 et 100 Ω.cm2 de R S.
La chose remarquable dans nos simulations est la stabilité de la tension de circuit ouvert avec
les deux modèles contre la variation de R S, environ 1.15(V). Et finalement pour le schéma
IV.4 (b2) d'efficacité est optimisé pour la valeur nulle de R S et atteint 11.2 et 10 % pour le
modèle d‟une et deux diodes respectivement.
85
Chapitre V
Les cellules solaires tandem
(a1)
1,4
2 diodes model
1 diode model
1,2
1,0
F.F
0,8
0,6
0,4
0,2
100
150
200
250
300
350
400
Temperature (K)
(b1)
3,5
2 diodes model
1 diode model
3,0
2,5
VOC (V)
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
100
150
200
250
300
Temperature (K)
86
350
400
Chapitre V
Les cellules solaires tandem
(c1)
0,0025
0,0024
0,0023
0,0022
0,0021
2 diodes model
1 diode model
ISC (A)
0,0020
0,0019
0,0018
0,0017
0,0016
0,0015
0,0014
100
150
200
250
300
350
400
Temperature (K)
(d1)
2 diodes model
1 diode model
60
Eficiency (%)
50
40
30
T=300 K
20
10
0
100
Temperature (K)
Figure V.5 (a1), (b1) (c1) (d1) courbes de FF, VOC ,Isc et efficacité simulés respectivement en
fonction de la température en utilisant les modèles à une et deux diodes avec R S constante
87
Chapitre V
Les cellules solaires tandem
Les schémas V.5 (a1) (b1) montrent l'importance des effets de la température sur
l'optimisation du facteur de forme et la tension de circuit ouvert pour les deux modèles, plus
particulièrement aux basses températures (moins que 300K), une optimisation relative du
facteur de forme et de la tension de circuit ouvert est trouvée à T>300K pour le modèle à une
seule diode ; sans oublier la linéarisation remarquable de la tension de circuit ouvert en
fonction de la température pour le dernier model discuté, et des valeurs rapidement
décroissantes de la tension de circuit ouvert et du facteur de forme sont enregistrées à ce
dernier intervalle de température.
Pour la présente cellule solaire organique tandem, le
schéma V.5 (c1) montrer une instabilité dans le courant de court circuit pour les valeurs les
plus élevées de températures pour les deux modèles. Le schéma V.5 (d1) donne un maximum
de 54% et 32 % de l'efficacité de conversion pour les modèles à deux et une seule diode
respectivement aux très basses températures, l'efficacité de conversion est reliée directement
et proportionnelle avec une grande magnitude au facteur de forme de la cellule.
(a2)
0,7
2 diodes model
1 diode model
0,6
FF
0,5
0,4
0,3
0,2
200
300
400
Temperature (K)
88
500
600
Chapitre V
Les cellules solaires tandem
(b2)
1,6
2 diodes model
1 diode model
1,4
1,2
VOC (volt)
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
200
300
400
500
600
500
600
Temperature (K)
(c2)
11,8
Current (mA)
11,6
11,4
11,2
2 diodes model
1 diode model
11,0
10,8
200
300
400
Temperature (K)
89
Chapitre V
Les cellules solaires tandem
(d2)
2 diodes model
1 diode model
0,12
Efficiency %
0,10
0,08
0,06
0,04
0,02
0,00
200
300
400
500
600
Temperature (K)
Figure V.5 (a2), (b2) (c2) (d2) courbes de FF, VOC ,Isc et efficacité simulés respectivement en
fonction de la température en utilisant les modèles à une et deux diodes avec R S constante
Les schémas V.5 (a2), (b2) montrent l'importance des effets de la température sur
l'optimisation du facteur de forme et la tension de circuit ouvert pour les deux modèles, plus
particulièrement aux basses températures (moins de 300K), une optimisation relative du
facteur de forme et de la tension de circuit ouvert est trouvée à T>350K pour le modèle à une
seule diode qui suppose qu'il n'y a aucune recombinaison parce que nous avons supprimer la
deuxième diode parasite ; sans oublier la linéarisation remarquable de la tension de circuit
ouvert en fonction de la température pour le dernier model discuté, et des valeurs rapidement
décroissantes de la tension de circuit ouvert et du facteur de forme sont enregistrées à toutes
les températures moins de 500 K, et une stabilité des valeurs de facteur de suffisance et de
tension circuit ouvert sont enregistrées au plus tard la gamme de la température ou plus de
500 K.
Pour la présente cellule solaire tandem, le schéma V.5 (c2) montre une divergence dans le
courant de court circuit à hautes températures pour les deux modèles. Le schéma V.5 (d2) de
montre le maximum de l'efficacité de conversion 9.11 et 12.39 % pour les deux modèles à
une et à deux diodes respectivement aux températures très basses (220 K), l'efficacité de
90
Chapitre V
Les cellules solaires tandem
conversion de puissance est reliés directement et proportionnel avec une grande magnitude à
la tension de circuit ouvert de la cellule.
(a1)
0,90
2 diodes model
1 diode model
0,85
0,80
0,75
0,70
FF
0,65
0,60
0,55
0,50
0,45
0,40
0,35
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
Eg (V)
(b1)
2,6
2 diodes model
1 diode model
2,4
2,2
2,0
1,8
VOC (V)
1,6
1,4
1,2
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
Eg (V)
91
1,0
1,2
1,4
1,6
Chapitre V
Les cellules solaires tandem
(c1)
28
2 diodes model
1 diode model
26
24
22
Efficiency %
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
Eg (V)
Figure V.6 (a1), (b1) (c1) courbes de FF, VOC et efficacité simulés respectivement en fonction de E g
en utilisant les modèles à une et deux diodes avec R S constante, la température égal à 300k et ISC est
constant
Les schémasV.6 (a1), (b1) donnent les courbes de FF et de la tension de circuit ouvert dans le
dispositif comme fonction de l‟énergie de gap. Le point critique remarquable de Eg est de 1.1
eV, cette valeur est adéquate pour toutes les simulations pour les deux modèles utilisés,
faisant un bon ajustement de précision de notre courbe I-V. Par conséquent, les valeurs de Eg
entre 1.12-1.4 eV présente le niveau optimum pour achever le FF le plus mieux dû au champ
électrique élevé dans les cellules solaires organiques tandem[7].
Le schéma V.6 (c1) montre que l'efficacité photovoltaïque maximale est environ 28% à 1.4
eV de Eg avec le modèle à une seule diode et 13.2% à la même valeur de E g pour le modèle à
deux diodes, cette dernière valeur est plus réaliste dans notre approche, alors que nous
pouvons obtenir une bonne approche linéaire de l'efficacité à la majorité des valeurs de E g.
92
Chapitre V
Les cellules solaires tandem
Actuellement, un dispositif basé sur InGaP/GaAs/InGaAs avec une efficacité de 37.7 ± 1.2%
et une aire active de 1.047 cm2 possède le certificat mondiale de la cellule solaire multijonction sous AM1.5G.[8]
Dans une approche semblable à celle appliquée pour la cellule de jonction simple, Dennler et
al[9] ont étudié le maximum d‟efficacité possible aux cellules organiques tandem. Dans cette
étude, les couples donneur-accepteur de haut et de bas on été assumé avoir un LUMO globale
de 0.3 eV et les LUMOs du premier donneur (E LUMO1) et le deuxième donneur (ELUMO2)
étaient fixés à -4 eV, qui est la valeur optimale pour les composés d'hétérojonction en volume
avec le PCBM60 comme accepteur. Le Voc de la cellule tandem est alors calculé comme
somme des Voc respectif des deux cellules secondaires.
(V.5)
Un EQE de 65% et un IQE de 85% ont été considérés constant au-dessus de la région
d'absorption des deux cellules secondaire. En conséquence, le J sc des cellules de bas et de
haut est calculées comme :
(
)
∫
(V.6)
(
)
∫
(V.7)
D‟où Eg1 est l'énergie de gap du donneur utilisé dans la sous-cellule inférieur, et Eg2 est
l'énergie de gap du donneur utilisé dans la sous-cellule supérieure, Iph est le flux de photons
sous la condition AM1.5G et EQE1/ IQE2 l‟absorption de la sous-cellule de bas. Mirrorloss
représente la perte d'absorption dans la cellule tandem mise en application contre la cellule
simple autonome qui aurait un miroir parfait dans l‟électrode supérieure. Cette perte est
induite par l'absence de réflexion significative à l'interface entre la sous-cellule inférieure et
la couche intermédiaire. Selon l'épaisseur de la sous-cellule de bas, on a estimé que ces pertes
sont environ 15%, selon des simulations optiques détaillées basées sur le formalisme de
93
Chapitre V
Les cellules solaires tandem
transfert de matrice (TMF) [9]. Le fonctionnement des tandems exige les densités de courant
des deux cellules secondaire au point maximum de puissance. Assumant plus loin que cela
les FF des cellules secondaires simples sont identiques, aussi bien que leurs résistances shunt,
la loi de Kirchoff prévoit que la densité de courant de court-circuit de a la cellule tandem est
égale au Jsc plus petit des sous-cellules.
(V.8)
Basé sur cette considération, l‟efficacité maximale de la cellule solaire organique tandem
peut être calculée en fonction de l‟énergie de gap, comme présentés dans les figures V.6(c2)
et 3(c2).
Voc (V)
(a2)
3,6
3,4
3,2
3,0
2,8
2,6
2,4
2,2
2,0
1,8
1,6
1,4
1,2
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
0,0
1 diode model
2 diode model
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
Eg (eV)
94
1,4
1,6
1,8
2,0
2,2
Chapitre V
Les cellules solaires tandem
(b2)
0,7
F.F (%)
0,6
0,5
2 diode model
1 diode model
0,4
0,3
0,2
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
2,0
Eg(eV)
(c2)
0,30
Efficiency 100%
0,25
2 diodes model
1 diode model
0,20
0,15
0,10
0,05
0,00
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
Eg (eV)
Figure V.6 (a2), (b2) (c2) courbes de VOC, FF, et efficacité simulées respectivement en fonction de
Eg en utilisant les modèles à une et deux diodes avec R S constante, la température égale à 300 k et à
ISC constant
95
Chapitre V
Les cellules solaires tandem
A partir du es schéma V.6(a2) nous étudiant l‟effet de l‟énergie de gap sur l'optimisation de la
tension de circuit ouvert pour les deux modèles, plus particulièrement la linéarisation de la
tension de circuit ouvert pour le model à deux diodes, et des valeurs rapidement croissantes
de la tension de circuit ouvert sont enregistrées à toutes les énergies supérieures ou égal à 0.6
eV .Une stabilité des valeurs de VOC est trouvée pour la même gamme des énergies.
Le schéma V.6 (b2) montre que le facteur de forme est affecté par des variations de Eg et
atteint un maximum de 69% pour la valeur de 1.3eV de l‟énergie de gap du semi-conducteur
pour le modèle à deux diodes. Le même facteur ce trouve avec une stabilité générale(63%)
aux valeurs plus grandes à 0.8eV de Eg.
Le schéma V.6 (c2) montre que l'efficacité photovoltaïque maximale est environ 26% à 2 eV
de Eg avec le modèle à deux diodes et 8.42% aux valeurs supérieurs de 0.7eVde E g pour le
modèle à une diode. Le modèle à deux diodes est plus réaliste dans notre approche, et nous
pouvons obtenir une bonne approche linéaire de l'efficacité à la majorité des valeurs de E g.
0,12
0,11
0,10
Efficiency %
0,09
0,08
0,07
n1
n2
n
0,06
0,05
0,04
0,03
0,02
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
n, n1, n2
Figure V.7 Simulation de la cellule solaire d‟efficacité expérimentale η
en fonction de n, n1,
et n2 respectivement avec le modèle à une et à deux diodes à R S, ISC ,et la température comme
paramètres constants
96
Chapitre V
Les cellules solaires tandem
Figure V.7 donnes l‟efficacité du dispositif en fonction du facteur d‟idéalité en utilisant les
deux modèles. Au début le modèle à une diode montre une très bonne linéarisation de
l‟efficacité dont nous pouvons obtenir une simple équation donnée par η
. Le maximum de rendement de conversion est d‟environ 11.8% pour n=4, en
parallèle avec l‟efficacité stable (ligne rouge) pour n2=4. La même figure donne l‟efficacité
de la cellule solaire en fixant n1 à 1et en variant n2 , dans ce cas et par l‟application du modèle
à deux diodes nous pensant que la recombinaison de niveaux profond dans la zone de charge
d‟espace de la jonction affecte clairement et bloque l‟efficacité à un maximum de 9.55% au
point critique n2=4. Pour le même modèle et en fixant n2 à 4 et variant n1, le rendement
Efficiency %
calculé atteint 11.56% au point critique n1=2.8.
0,18
0,17
0,16
0,15
0,14
0,13
0,12
0,11
0,10
0,09
0,08
0,07
0,06
0,05
0,04
0,03
0,02
0,01
0,00
1,0
n1
n2
n
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
n, n1, n2
Figure V.8 Simulation de la cellule solaire d‟efficacité expérimentale η
en fonction de n, n1,
et n2 respectivement avec le modèle à une et à deux diodes à R S, ISC ,et la température comme
paramètres constants
97
Chapitre V
Les cellules solaires tandem
Figure V. 8 donnes l‟efficacité du dispositif en fonction du facteur d‟idéalité en utilisant les
deux modèles. Au départ le modèle à une seule diode montre une très bonne linéarisation de
l‟efficacité dont nous pouvons obtenir une simple équation donnée par
η
. Le rendement de conversion atteint 17% pour
n=3.6 à la fin du puis d‟énergie (ligne rouge) pour n2=3.6. Cette figure donne le rendement
de la cellule solaire en fixant n1 à 1.92 et en variant n2, dans ce cas et par l‟application du
modèle à deux diodes nous trouvant que la recombinaison de niveaux profonds dans la zone
de charge d‟espace de la jonction affecte clairement et bloque l‟efficacité à un maximum de
8.45% au point critique n2=3.6. Pour le même modèle et en fixant n2 à 3.6 et variant n1, le
rendement calculé atteint 10.79% au point critique n1=2.8 comme mentionné dans la figure
V.8.
Conclusion
Le concept du développement durable, aussi bien que la crise économique, ont favorisé des
recherches sur des sources d'énergie renouvelable, particulièrement l‟énergie solaire.
Considéré environnementalement propre (non polluante) et disponible dans des quantités
illimités, l'énergie solaire est l'énergie la plus prometteuse du future. Comme il a été montré
en ce chapitre, une comparaison entre les modèles à été démontrée ou l'optimisation des
paramètres électriques est trouvée avec le modèle à deux diodes, que nous assumons un
modèle futur promoteur aux exécutions photovoltaïques des cellules solaires organiques
tandem.
D'autres études sont nécessaires afin de comprendre mieux le processus et clarifier les
mécanismes en-dessous. Cependant, les données présentées en ce chapitre montrent
clairement un modèle alternatif des cellules solaires organiques tandem, particulièrement
l'optimisation de gap-optique dans les semi-conducteurs organiques en fonction de la
physique et la chimie des solides afin de faire un ensemble de recherches dans les propriétés
optiques en matériaux organiques.
98
Chapitre V
Les cellules solaires tandem
References
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Cell Equation
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Mrs Bull., Vol. 30, p. 50, 2005.
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bulk heterojunction solar cells” ,revue des energies renouvelables ICRESD-07 Tlemcen
(2007) 83-90
99
Conclusion générale
Conclusion générale
Ce travail de thèse a permis l'étude et la modélisation des cellules
photovoltaïques à base des semi-conducteurs organiques. Notre premier objectif était
d'acquérir des connaissances de base sur ce nouveau type de semi-conducteurs qui
apparaît comme une
technologie alternative par rapport aux semi-conducteurs
inorganiques et ceci dans les deux premiers chapitres.
La modélisation par les équations partant de l’onde électromagnétique
incidente, le calcul matriciel du module du champ électrique, de l’énergie dissipée
dans chaque couche, des taux de dissociation et de recombinaison et de transport par
saut d’indice était l’objectif du troisième chapitre.
Dans la quatrième partie, nous avons démontré l'existence d'une limite
fondamentale du champ électrique dans les semi-conducteurs. Pour améliorer les
procédés de séparation de charge et le transport de porteur libre aux électrodes, des
efforts d’acquérir une interface d’ordre en volume de matériau donneur et accepteur
sont nécessaires. Une approche prometteuse est d'explorer la structure de
l’hétérojonction d’ordre, qui fournit de meilleurs positionnements de matériaux D-A
et ainsi une meilleure efficacité quantique qui est fonction de champ électrique. Ces
résultats donnent davantage de perspicacité dans le mécanisme de la photoconduction
en semi-conducteurs et sa valeur pour la conception de nouveaux matériaux pour les
dispositifs photovoltaïques organiques.
Les simulations discutés dans cette avant dernière partie ont illustré clairement
que
la couche supplémentaire
de poly (3.4
éthylène
dioxy thiophene)/
(poly(styrenesulfonate)(PEDOT/PSS) sur l’électrode d'ITO ou Bathocuproine ou 2,9Dimethyl-4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline (BCP) des cellules solaires organiques à
hétérojonction en volume affecte fortement les caractéristiques optiques et électriques
des dispositifs.
De plus, la dynamique de l'exciton est également importante pour décrire les
états excités et la génération des charges en dispositifs solaires organiques. Par
Conclusion générale
conséquent, nous avons démontré dans Matlab un modèle pour la dissociation
dépendante du champ électrique de l'exciton de transfert de charge (CT) et nous
l'avons appliqué aux cellules solaires à hétérojonction volume.
Notre modèle numérique de dispositif qui couvre tous les processus appropriés
parmi des photons, excitons et porteurs libres fournit un cadre puissant pour extraire
les paramètres du matériau et du dispositif par une approche combinée de valeurs
expérimentaux et de simulation.
Nous avons montré dans le dernier chapitre que le dispositif étudié peut être
décrit par les modèles équivalents à une ou à deux diodes démontrant les effets de la
couche protectrice(PEDOT), l’entretoise optique(TiOX) et les épaisseurs des couches
actives de haut et de bas sur l'exécution photovoltaïque.
Les cellules tandem ont de certains avantages comparés aux cellules bicouche
ou à hétérojonction en volume, à cause de l'absorption complémentaire des souscellules qui présente une densité optique plus élevée sur un plus grand choix spectral.
Les cellules tandem ont l'avantage de réduire aussi les pertes parasites données par la
résistance série et la conductance shunt qui affectent l'efficacité de conversion. Ainsi,
une simulation numérique a été utilisée pour déterminer les cinq paramètres des
cellules solaires avec le modèle à une seule diode et les sept paramètres pour le
modèle à deux diodes en utilisant les caractéristiques I-V.
Le circuit équivalent de simple diode est utilisé habituellement pour illustrer
les caractéristiques des cellules solaires. C'est un genre de compréhension simple au
sujet des caractéristiques des cellules solaires. A comparé avec d'autres genres de
dispositifs solaires, les cellules solaires organiques multiples ont des propriétés
uniques. Le circuit équivalent à deux diodes s'est produit pendant trente années. Il
considère en bref des conditions de bas niveau d’injection. En perspective le niveau
d'injection des cellules solaires tandem est bas, qui est en faveur de plus de précision
illustrant les caractéristiques de ce type de cellules solaires.
‫مـلـخــص‬
‫و اىقادسج عيى ذغزٌح األخهضج‬،‫واىرً ذشاسك فً ذطىٌش اىطاقاخ اىمردذدج‬، ‫إن هزا اىعمو ٌخص دساسح و ومىرخح اىخالٌا اىنهشو ضىئٍح اىعضىٌح‬
‫ طثٍعح أشثاي اىىىاقو‬، ‫ ىقذ ماود خطىذىا األوىى هً اىرعشف عيى مخريف أوىاع اىخالٌا اىضىئٍح اىمرفق عيٍها‬.)...‫أخهضج اىحاسىب‬،‫اىمحمىىح(اىهاذف اىىقاه‬
‫مما قمىا فً االخٍش تاوداص مقاسوح تٍه اىخالٌا اىضىئٍح اىعضىٌح و‬، ‫آىٍاخ اىىقو االىنرشووً و مزىل مخريف فشوع اىخالٌا اىضىئٍح اىعضىٌح‬، ‫اىعضىٌح‬
.‫اىغٍش عضىٌح‬
‫أما خطىذىا اىثاوٍح فرخص دساسح خالٌا مهش وضىئٍح راخ طثقاخ فعاىح مخريفح عيى احذ األقطاب اىمصىىعح مه( أمسٍذ ذٍران االوذٌىً) اىشفاف‬
‫ومه واقو خيفً مه األىمىٍىً مع أو تذون طثقح إضافٍح مه اىمعذن اىعضىي أو مخفف اىصذماخ اىم صىىع مه االثٍىتٍه و رىل ترسيٍط مىخح‬
‫ذىذش مهشتائً اىمعطاج‬-‫مما قمىا تاسرخشاج مخريف اىعىامو اىفىذى ضىئٍح مه اىمٍضج مثافح اىرٍاس‬، ‫مهشومغىاطٍسٍح و ومزخح ذفاعيها مع اىخالٌا اىضىئٍح‬
.‫ذدشٌثٍا‬
: ‫و فً األخٍش أعطٍىا ومىرخٍه ىيرقيٍذ و ششحىا اىحساتاخ اىشقمٍح اىرً منىرىا مه اىحصىه عيى اىىرائح اىراىٍح‬
.‫ذىذش مهشتائً ىيخالٌا اىضىئٍح اىمرشادفح‬-‫ اىىمىرج رو صماً واحذ ٌعطً ششحا دقٍقا ىيخصائص مثافح اىرٍاس‬.‫ اىىمىرج رو صمامٍه قشٌة خذا مه اىمٍضاخ اىردشٌثٍح‬‫ اىحقو اىنهشتائً و معامو اىدىدج ىيصماً عىامو فعاىح خذا ىالطالع عيى أحسه اىرقذٌشاخ ىيخالٌا اىشمسٍح اىعضىٌح‬،‫ اىمقاومح شاود‬، ‫ اىمقاومح اىرسيسيٍح‬.‫و اىغٍش عضىٌح‬
‫ اىمقاومح اىرسيسيٍح و اىمقاومح شاود و معامو اىدىدج‬،ً‫ذىذش مهشتائ‬- ‫اىمٍضج مثافح اىرٍاس‬،ً‫ اىحقو اىنهشتائ‬،‫ اىخالٌا اىشمسٍح اىعضىٌح‬:‫الكلمات المفاتيح‬
.ً‫ىيصما‬
Résumé
Ce travail a pour objet l’étude et la modélisation des cellules photovoltaïques organiques, contribuant au développement
des énergies renouvelables, et capables d’alimenter des appareils nomades (téléphone portable, micro-ordinateur…etc). Nous
avons mis l’accent, dans un premier temps, sur les cellules solaires conventionnelles, la nature des semi-conducteurs organiques,
les mécanismes de transport dans se type de semi-conducteurs ainsi que les différentes structures qui existent. A la fin de cette
partie on a fait une comparaison entre les cellules solaires organiques et inorganiques.
Dans un deuxième temps on a étudié des cellules solaires organiques à base de plusieurs couche actives insérée entre une
électrode d’ITO (Indium Tin Oxide ) transparente et un contact arrière en Aluminium avec ou sans couche supplémentaire en
PEDOT/PSS ou des Buffer en BCP sous éclairement, d’où on a extrait les différents paramètres photovoltaïques à partir des
caractéristiques courant-tension (I-V).
Nos résultats de simulation montrent bien que :
- Le modèle à une seule diode fournit une description très précise des caractéristiques I-V des dispositifs Tandem
- Le modèle à deux diodes décrit beaucoup mieux les caractéristiques des cellules solaires Tandem.
- Les résistances série et shunt, le facteur de qualité et le champ électrique influencent fortement sur le comportement des
cellules organiques et conventionnelles.
Mots clés : cellules solaires organiques, caractéristique I-V, résistance série, résistance shunt, facteur de qualité et champ
électrique
Abstract
This work aims to the study and the modelling of organic solar cells, contributing to the development of renewable energies, and
able to feed from the apparatus nomads (mobile ,computer… etc). We have met the accent on the clear one in a first step on the
conventional solar cells, the nature of its materials, the mechanisms of transport as well as the different structures which exist. At
the end of this part we made a comparison between organic and inorganic solar cells.
In a second step we made the study of the organic solar cells containing active materials layers of tightened between a
transparent electrode of ( ITO Indium Tin Oxyde ) and a contact of behind out of Aluminium with or without additional layer in
PEDOT/PSS and BCP buffer layers, from where we extract the various photovoltaic parameters starting from the I-V
characteristics given.
Finally one posed the two models of simulation with the details of numerical calculation and we led to the results of following
simulations:
- The model with only one diode provided a very precise description of the I-V characteristics of the Tandem devices
- The model with two diodes describes better the characteristics of the Tandem solar cells.
Series and shunts resistance, ideal factor and electric field have a strong effect on the behaviour of conventional and organic
cells
Key words: organic solar cells, J-V characteristics, series resistance, shunt resistance, ideality factor and electric field